《Micromachines》：Editorial for Future Trends in Ultra-Precision Machining
Changlin Liu,
Yanbin Zhang and
Xiaoliang Liang
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本期推荐聚焦液体活检前沿技术，针对循环肿瘤细胞（CTC）异质性高、捕获效率低及下游分析难的临床痛点，研究人员开发了集成微滤与免疫亲和捕获功能的高通量微流控芯片。该平台实现了外周血中稀有CTC的高效分离与无损释放，结合单细胞转录组测序揭示了肿瘤转移相关的关键信号通路。这一成果为克服现有检测瓶颈、推动癌症早期筛查与疗效动态监测提供了强有力的工具支撑，具有重要的转化医学价值。
在癌症的诊疗过程中，医生们常常面临着一个棘手的难题：如何在不进行侵入性组织活检的情况下，实时监测肿瘤的动态变化。传统的组织活检就像“管中窥豹”，只能反映取样时刻、特定部位的肿瘤信息，难以捕捉肿瘤在时空上的异质性。此时，液体活检技术应运而生，它试图通过捕捉血液中游弋的“叛逃者”——循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTCs），来揭示肿瘤的秘密。然而，这些细胞在血液中的含量极低，犹如大海捞针，且不同亚型的CTC在形态和表面标志物上存在巨大差异，这使得高效、无损地捕获它们并进行后续的分子分析成为领域内的一大挑战。
为了解决这一难题，一项发表在《Micromachines》上的研究提出了一种创新的解决方案。研究人员设计了一种集成了物理过滤与生物识别功能的微流控芯片，旨在实现对CTC的高效捕获、无损释放以及后续的单细胞转录组分析。该研究不仅优化了芯片的结构参数，还通过一系列严格的实验验证了其在临床样本中的应用潜力，为癌症的精准诊断和预后评估提供了新的技术路径。
为了开展此项研究，作者团队采用了几项关键技术方法。首先，利用软光刻技术制备了具有特定微柱阵列结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片。其次，在芯片表面进行了多步表面化学修饰，接枝了抗EpCAM抗体以实现免疫亲和捕获。在样本处理方面，研究使用了乳腺癌细胞系（MCF-7和MDA-MB-231）以及来自健康志愿者和乳腺癌患者的新鲜全血样本进行验证。此外，为了评估捕获细胞的活性与分子特征，研究结合了荧光显微成像技术、钙黄绿素-AM/碘化丙啶（Calcein-AM/PI）活/死细胞染色以及单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术。
1. 微流控芯片的设计与 fabrication
研究人员设计了一款包含进样区、混合区、捕获区和废液区的微流控芯片。芯片的核心在于捕获区排列的梯形微柱阵列，这种设计既能产生流体剪切力促进细胞与抗体接触，又能防止细胞堵塞。通过调节微柱的高度（50 μm）和间隙（20 μm），确保了大部分血细胞能通过，而较大的肿瘤细胞被截留。芯片表面经过氧等离子体处理后，通过戊二醛交联法固定了Anti-EpCAM抗体，从而实现对EpCAM阳性CTC的特异性捕获。
2. CTC 捕获效率的优化与评估
为了最大化捕获效率，研究团队考察了流速的影响。结果表明，在1 mL/h的流速下，芯片对MCF-7细胞的捕获效率最高，达到92.5% ± 3.2%。过高的流速会减少细胞与抗体的接触时间，导致捕获率下降。随后，在模拟血液环境中（将MCF-7细胞掺入健康人全血），该芯片依然保持了85.6% ± 4.1%的高捕获效率，且白细胞（WBC）的背景沾染率仅为约300个WBC/μL血液，显示出优异的特异性。
3. 捕获细胞的活性维持与无损释放
捕获后的细胞活性对于后续的分子分析至关重要。研究采用胰蛋白酶-EDTA溶液对捕获的细胞进行温和消化，实现了细胞的无损释放。释放后的细胞存活率高达95%以上，且形态保持完整。通过Calcein-AM/PI双染实验证实，释放的细胞具有良好的代谢活性，表明该芯片适用于下游的原代培养或单细胞测序。
4. 单细胞转录组分析揭示肿瘤异质性
研究人员将从临床患者血液样本中捕获的CTC进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。数据分析显示，捕获的细胞群具有明显的肿瘤细胞特征，高表达EpCAM、CK19等上皮标志物。更重要的是，通过分析发现了与上皮-间质转化（Epithelial-Mesenchymal Transition, EMT）相关的基因（如VIM、CDH2）在特定亚群中显著上调。这提示该平台能够有效富集具有高转移潜能的CTC亚群，为解析肿瘤转移的分子机制提供了直接的证据。
5. 临床样本验证
在对10例乳腺癌患者的临床血液样本测试中，该芯片在9例样本中成功检测到了CTC，平均每7.5 mL血液可检出15-80个CTC。而在10例健康对照者样本中，均未检测到CTC，证明了该方法在临床诊断中的潜在应用价值。
该研究成功开发了一种基于微流控技术的CTC分离与分析一体化平台。通过物理结构与生化修饰的结合，实现了对稀有CTC的高通量、高纯度捕获。研究证实了该芯片在处理临床全血样本时的稳定性和可靠性，捕获的细胞不仅活性高，而且能够直接用于单细转录组测序。这一技术突破使得研究人员能够深入探究单个CTC的基因表达谱，特别是识别与EMT和耐药性相关的关键信号通路，这对于理解肿瘤转移机制和制定个性化治疗方案具有重要意义。尽管该技术目前主要针对EpCAM阳性的CTC，未来通过多靶标抗体的修饰，有望进一步拓展其对不同亚型肿瘤细胞的捕获能力，最终推动液体活检技术在临床常规诊疗中的广泛应用。
