前沿科普】讓循環腫瘤細胞無處藏身

作者 | 陳 璐

責編 | 霍 麟 吉 佳

二十世紀以來人類的生活環境污染日趨加劇，生活環境不斷惡化，人們與致癌因素的接觸越來越緊密，惡性腫瘤的發病率也逐年遞增，惡性腫瘤已超過心腦血管成為人類健康的最大敵人[1]。人們普遍認為原發腫瘤向遠端擴散是癌癥死亡的主要原因，90%的癌癥相關死亡是由轉移引起的[2]。而循環腫瘤細胞（CTC）的存在正是實體惡性腫瘤遠處轉移的根源，被認為是轉移的“種子”。種子從哪里來

1869年澳大利亞籍醫生Ashworth首次在癌癥死亡患者血液中發現并提出CTC的概念，CTC是來源于原發腫瘤或轉移腫瘤，獲得脫離基底膜的能力并通過組織基質進入血管的腫瘤細胞[3]。而腫瘤發生遠處轉移的最經典依據是1889年StephenPaget通過分析乳腺癌患者的尸解數據后提出種子與土壤學說，該學說認為腫瘤轉移的發生和發展是特定的腫瘤細胞作為種子，當遇到適合的器官、組織的基質環境，也就是土壤時，就會在此定居、生長即發生腫瘤的轉移。但原發部位的“種子”是如何到達遠處“土壤”的這一問題一直困擾著人們?！胺N子”是如何離開土壤的呢？上皮間質轉化過程（EMT）被認為是解釋“種子-土壤”假說的關鍵過程。上皮細胞排列緊密，間質細胞排列較為疏松，而EMT過程是指上皮細胞在形態學上發生向間充質細胞表型轉變的過程，它可以賦予細胞轉移和入侵的能力，腫瘤細胞在一定條件下發生EMT過程就會有更強地侵襲和轉移能力，當找到合適的“土壤”環境時就會在此生長[4]。檢測“種子”的利器

CTC在血液中含量及其稀少，血液中109個血細胞中混雜著極少數量的CTC，很多研究表明平均每毫升血液中只有1~10個CTC，并且其以不同的形態進入外周血中[5]，所以CTC的富集檢測工作成為一大難題。

納米材料具有體積小、易修飾、比表面積大等優點，近些年又以其突出的磁性、光學和電學性質被廣泛用于細胞生物學領域[6-8]。因此，在納米材料的幫助下我們可以將CTC從血細胞中區分開。

納米材料是指結構尺寸在1~100 nm的材料，當材料具有納米尺寸時，其物理化學性能就會發生與尺寸密切相關的變化。近些年來各種各樣的新型納米材料被用來對CTC進行捕獲，例如納米顆粒、納米柱和納米纖維等。這些納米材料通過連接抗體等生物識別原件對CTC進行識別捕獲，再利用自身的優勢，例如優良的光學性能、磁學性能、電學性能等對其進行檢測，這樣就可以將捕獲檢測一體化[9]。以金納米顆粒為例，納米顆粒表面具有較大的比表面積，可以附著更多的抗體，這種抗體是CTC獨有而血細胞沒有的，抗原與抗體結合，CTC便被金納米顆粒從血細胞中挑選出來，接下來，金納米顆粒發揮它良好的熒光特性，通過將CTC“點亮”使得它又與其他血細胞不同，從而對其進行檢測[10]。除了納米材料外，微流控芯片也被開發用于體外CTC檢測，利用CTC和血細胞之間的生物學差異，微流控平臺可以從數百萬個血細胞中精確分離到CTC[11]。什么是微流控芯片呢？顧名思義，微流控芯片是一種微米尺度的芯片，它就像是一個迷你的加工廠，樣品的制備、反應、分離等操作單元都在這里進行。微流控芯片中有能夠容納流體的微米級通道，可對液體的流動進行精準地控制，由于尺度是微米級的，也減少了溶劑的消耗，分析速度極大提高。當血液進入微流控通道后，芯片會根據血細胞和CTC的物理性質不同使其通過不同的通道輸出，這樣血細胞和CTC得以分離。隨著納米技術的發展，一些新型納米材料也可以集成到芯片中，使細胞的分離和處理更加便捷高效。納米材料修飾的微流控芯片是通過改變基底的結構和功能來提高其與細胞的接觸頻率從而提高捕獲效率。除此之外，為了確保捕獲準確性，還可以進行“雙保險”捕獲，這種方法是先通過功能化納米材料進行初富集，再進入到微流控芯片進行再富集，充分發揮兩者各自的優勢，確保捕獲CTC的準確性[12]。除了有效的富集外，CTC的檢測也同樣重要。人全血是一種由紅細胞、白細胞、血小板等成分組成的復雜液體。其中紅細胞容易干擾CTC的識別，同時大量白細胞也很大程度增加了捕獲難度，因此有必要進一步對捕獲的癌細胞進行檢測和分析。新材料的研發成為CTC 檢測的重中之重，納米材料優良的電學、光學等特性成為CTC檢測的首選材料。電化學免疫傳感器以其簡單、低成本的特點廣泛應用于實驗室和臨床分析領域。金屬團簇、量子點、石墨烯、金屬氧化物等用作信號載體、催化劑或發光體在電化學免疫傳感中可起放大信號的作用[13]。光學分析作為一種靈敏度高、重復性好、快速高效的分析方法，在生物分析技術中得到廣泛的應用，光學生物傳感器是目前研究較為廣泛、發展較快的傳感器之一。納米顆粒、金屬團簇、量子點、上轉換發光納米粒子等都具有較強的光學特性，對CTC捕獲的同時也可進行光學檢測分析[14]。

CTC的精準捕獲與檢測可為腫瘤患者的早期診斷、預后和有效治療提供重要依據。而納米材料和納米技術將是研究CTC最關鍵的法寶，未來有望從血液檢測到單細胞分析，納米材料可做到一站式解決，為CTC檢測技術的臨床應用奠定良好的基礎。（詳情請點擊下方閱讀原文）參考文獻

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14. Yu Y, Yang Y, Ding J, et al. Design of a biocompatible and ratiometric fluorescent probe for the capture, detection, release, and reculture of rare number CTCs. Anal Chem, 2018, 90(22): 13290-13298作者簡介

陳璐，北京工業大學碩士研究生。本科專業為材料化學，研究生專業為物理化學?，F階段主要從事基于納米材料的循環腫瘤細胞捕獲與檢測的研究。

本文轉載自公眾號“生物化學與生物物理進展”

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原標題：《【前沿科普】讓循環腫瘤細胞無處藏身》