《Exploration》：Micro/Nanostructured Materials and Microfluidic Diagnostic Platforms Enable Multimodal Detection of Circulating Tumor Cells
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循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）作为液体活检的关键靶标，能够提供关于肿瘤异质性和转移进展的动态、多维信息。然而，其极低的丰度、显著的异质性以及血液微环境的复杂性严重制约了检测精度。微纳材料与功能器件工程的进步通过优化捕
循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）作为液体活检的关键靶标，能够提供关于肿瘤异质性和转移进展的动态、多维信息。然而，其极低的丰度、显著的异质性以及血液微环境的复杂性严重制约了检测精度。微纳材料与功能器件工程的进步通过优化捕获界面的形貌和化学性质，显著提升了CTCs的富集效率。这些创新也为多模态分子分析提供了兼容的平台。本综述系统梳理了功能化纳米材料、微滤基底和仿生微流控器件的构效关系，重点阐述了纳米尺度结构和膜孔径等材料参数如何调控CTCs捕获性能。研究人员进一步探讨了将微纳材料与功能平台整合，用于DNA、RNA和蛋白质水平的多维分子分析。结合新兴的数字PCR技术，这些系统有望克服稀有突变检测和蛋白质定量中的灵敏度瓶颈，实现多组学数据融合。研究人员还讨论了人工智能（artificial intelligence, AI）驱动的特征选择、聚类和预测如何整合多维数据，以解码肿瘤异质性并指导疾病监测。尽管进展迅速，关键挑战依然存在——包括标准化缺失、多组学数据集整合有限以及亟需稳健的临床验证。未来方向可能在于微流控集成材料、单细胞多组学和AI驱动分析的融合，以建立动态、高分辨率的监测平台，弥合基础研究与临床精准肿瘤学之间的鸿沟。
主体内容总结
2 液体活检概述
2.1 液体活检的发展历程
液体活检已成为癌症检测和监测的一种变革性方法，能以微创方式获取肿瘤来源的信息。这一概念可追溯至19世纪60年代末，澳大利亚医生Thomas Ashworth首次描述了血液中的CTCs。随后，免疫荧光和流式细胞术的进步显著提高了CTCs检测的灵敏度和特异性。2004年，CellSearch系统成为首个获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准的CTCs检测平台。对细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）特别是外泌体的研究始于20世纪80年代，并在1996年被重新定义为细胞间通讯的关键介质。对循环肿瘤DNA（circulating tumor DNA, ctDNA）的研究始于1948年人类血液中细胞外DNA的发现，并在2014年开始常规用于监测治疗反应和检测癌症复发。
2.2 精准肿瘤学中通过液体活检获得的全面分子见解
在精准肿瘤学的背景下，全面了解肿瘤分子图谱对于揭示癌症的内在多样性和复杂性至关重要。传统的组织活检存在局限性，包括肿瘤可及性差、样本量和质量有限，以及无法捕捉时间和空间上的肿瘤异质性。液体活检作为一种微创替代方案，能够获取实时、全身性的肿瘤信息。通过分析ctDNA和CTCs等循环肿瘤组分，液体活检可提供癌症的动态分子图谱。在ctDNA中，可通过微滴数字PCR（droplet digital PCR, ddPCR）或下一代测序（next-generation sequencing, NGS）检测体细胞突变和拷贝数变异（copy number variations, CNVs）。例如，EGFR突变检测可指导非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）中酪氨酸激酶抑制剂的使用。CTCs从原发灶脱落进入血液，在富集和检测方面面临更大的技术挑战，但为生物标志物发现提供了更多可能性。对CTCs进行蛋白质表达分析（如PD-L1或ARV7），可为肺癌和前列腺癌等的免疫治疗或雄激素受体靶向治疗决策提供依据。单细胞水平的基因组分析揭示了患者体内CTCs的异质性和克隆进化。尽管如此，液体活检仍面临缺乏标准化协议、难以整合多维分子信息以及对早期癌症检测灵敏度和特异性不足等重大限制。
3 CTCs概述
3.1 CTCs与转移的联系
对CTCs的初步观察可追溯到19世纪初。1889年，Stephen Paget提出了著名的“种子与土壤”假说。1959年一项为期5年的随访研究首次对CTCs进行了纵向调查。后来，Fidler和Kripke通过向小鼠静脉注射恶性黑色素瘤细胞的里程碑实验证明，转移是由原发肿瘤内预先存在的变异克隆驱动的。
3.2 CTCs的生物学特性
CTCs在癌症转移中发挥关键作用，表现出由上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）和间充质-上皮转化（mesenchymal-epithelial transition, MET）之间的转换驱动的显著分子和表型异质性。EMT使上皮肿瘤细胞失去细胞间粘附并获得间充质、侵袭性特性，进入循环系统成为CTCs并播散到远处部位。到达次级器官后，这些细胞经历MET，恢复上皮表型并增殖形成宏观转移。CTCs在整个EMT和MET过程中表现出显著的分子和表型异质性，呈现从完全表达到部分表达或低表达的多样化蛋白质表达模式。此外，CTCs与各种血源性细胞发生复杂的相互作用，形成同型或异型簇，其中CTCs簇比单个CTCs具有显著增强的转移潜力。
3.3 CTCs的临床意义
CTCs在癌症研究和临床实践中都具有重要价值，涵盖伴随诊断、预后评估、疾病进展监测和个性化治疗等领域。血液中存在CTCs可提供有价值的预后信息，并且当与ctDNA或其他诊断方式结合时，可作为癌症护理中的伴随或辅助诊断工具。通过液体活检获得的CTCs显示出相当大的遗传和表型多样性，反映了原发肿瘤的瘤内异质性。治疗期间CTCs数量和分子特征的变化可以作为治疗反应或出现耐药性的指标。与连续的组织活检相比，CTCs提供了一个微创、实时的窗口来观察肿瘤动态。
4 基于微纳材料和微流控诊断平台的CTCs富集技术概述
4.1 基于生物学特性的免疫亲和策略
基于免疫亲和的CTCs富集策略利用肿瘤特异性的生物学特征来选择性地分离稀有CTCs。上皮标记物如细胞角蛋白（CK18/19）和EpCAM通常被用作CTCs捕获的靶点。这些方法包括使用偶联抗体或适配体的磁珠、纳米薄膜或微柱阵列进行阳性选择，或者利用靶向白细胞特异性抗原（如CD45）的材料进行阴性选择。CellSearch系统是首个获FDA批准的CTCs检测平台，但存在纯度低等问题。为解决这些限制，研究者开发了仿生免疫磁球（immunomagnetic sphere, IMS）系统、抗体功能化的纳米材料（如氧化石墨烯纳米片）以及受章鱼触手启发的适配体修饰的AP-Octopus-Chip等。尽管取得了进展，基于亲和力的阳性选择可能会遗漏正在经历EMT的CTCs亚群。
4.2 基于物理特性的无标记策略
肿瘤细胞在EMT过程中的动态表型转变对免疫亲和富集构成了重大挑战。因此，研究者转向利用CTCs与正常血细胞之间固有的物理差异的无标记富集方法。这些方法基于尺寸、密度、电荷和变形能力等参数，已发展出多种平台，如介电泳（dielectrophoresis, DEP）分离、惯性微流控、声学分选、基于变形能力的过滤以及基于膜的固定样品过滤。声流控方法因其非接触、无标记的特性而具有优势。基于变形能力的微流控装置可利用细胞核质比和变形能力的差异来富集CTCs。基于过滤的分离方法因其简单、成本效益高和易于集成而仍然具有吸引力。
4.3 基于细胞大小的膜过滤技术
在基于物理特性的方法中，膜过滤因其简单、低成本且易于集成而脱颖而出。这些系统通常包含带有精确定义孔形状和尺寸的三维外壳结构。多项研究报告称，基于大小的分离技术（如ISET）在多种癌症类型的临床评估中优于CellSearch系统。然而，基于大小的微滤方法常常难以平衡捕获效率、纯度和细胞活力。微纳加工技术的进步使膜设计从随机分布的圆形孔演变为均匀、结构化的孔阵列，从而提高了CTCs捕获效率和回收率。例如，锥形孔阵列可防止堵塞并减少细胞机械应力，矩形孔阵列可减少白细胞残留，风车状孔阵列可实现高通量、无堵塞的富集。总体而言，CTCs富集策略的选择直接影响下游多组学分析的质量和维度。免疫亲和法具有高特异性但存在固有偏差，而无标记方法（尤其是膜过滤）能更好地保留细胞天然状态，与下游应用兼容性更好。
