磁“钓”癌细胞!斯坦福科学家发明柔性磁线,捕获血液中循环肿瘤细胞效率达传统方法80倍!-汶颢股份
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磁“钓”癌细胞!斯坦福科学家发明柔性磁线,捕获血液中循环肿瘤细胞效率达传统方法80倍!

液体活检这个概念火了不是一天两天了。从血液中获取循环肿瘤细胞(CTCs)进行分析,这是癌症早期诊断和精准医疗的基础。最大的障碍也出在这里。CTCs是真的少,临床上抽个5-10ml的血液,很可能都检不出来啥。有没有什么更好的办法能够把这些“少数分子”聚集起来一网捞起呢?

有了!本周在《自然生物医学工程》杂志上发表了一篇新研究,哈佛医学院的放射学大牛Sanjiv Gambhir教授团队开发了一套磁力“鱼线”,将不到小指长的磁性金属线伸入血管,磁性纳米粒子标记的CTCs就会迅速被“钓起”。与抽5ml血相比,这条鱼线的效率达到了10-80倍,而与另外一种类似的商业检测方法GILUPI CellCollector相比,效率可以达到500-5000倍!
    通过改变纳米粒子的结合方式,这种方法也可以用来检测DNA、RNA、蛋白质等其他稀有生物标记物!CTCs是真的少。虽然癌症患者体内可能存在着成百上千的CTCs,但是同时人体血容量大约在5L左右,5-10ml血样里能够含有的CTCs简直屈指可数。有位科学家说得好,这就像让你从浴缸里捞一粒沙,但是只给你舀一杯水。

就算这一杯水里恰好舀到了沙子,那就够了吗?我们都知道,肿瘤存在很大的异质性,少量的CTCs可能根本不足以描述肿瘤的特征,考虑到测试药物敏感性也需要几十到几百个肿瘤细胞,获取的CTCs自然是越多越好。那么增加检测的样本的容量又如何呢?把全身的血液都提出来分析一遍?像是体外循环、透析这类方法倒是可以做到,不过不管风险还是成本都太高了。

另一个思路是在体内捕捉CTCs,比如说GILUPI的CellCollector技术,这种技术是将涂布了对应抗体的金属材料置入血管收集CTCs,不过它的收集效率比较一般,这可能是因为光靠抗原抗体之间的作用,“抓捕”力量还是不太够。

想要快速、大量地从血流中抓取CTCs,关键还是要有足够强的结合力,研究者们选择了磁力。这套磁力鱼线的设计也蛮简洁的,先用包裹着抗体的纳米粒子标记CTCs,然后放上磁力线等着抓就行了!
    研究者算了一笔账。假设1ml血液里有1个CTC,那么理想情况下5ml血液样本里能检出5个CTC。如果用磁力线呢,1小时足够全身血液通过一条2-3mm直径的静脉血管了,5L的血液啊,就算只能抓住5%的标记CTCs,那也能抓到250个,足有血样的50倍了,可行!经过一番设计,研究者确定了1μm大小超顺磁性氧化铁粒子+EpCAM抗体的组合。EpCAM是一种上皮细胞来源癌细胞经常出现的细胞表面黏附分子,血细胞中不表达。磁线则确定0.75mm直径、6cm长,这样磁力足以覆盖2-3mm直径血管,同时也不会造成血流不畅。
    理论上,这套设备应该能够抓到90%以上被包被抗体纳米粒子(MPs)标记的CTCs了!

标记、捕获、洗脱培养、分析,完美! 

标记、捕获、洗脱培养、分析,完美!

来试一试吧!研究者们准备了一套机械模拟的循环系统,先放入了被MPs标记好的CTCs。放入磁线不到10min,上面已经吸满了MPs了!分析结果显示在三种不同CTCs浓度下(10、100、1000个/ml),捕获率达到了25-58%!
    相对的呢,非EpCAM表达细胞、或者放置没有磁力的金属线,捕捉率分别只有0.6%和0.1%,可见这种方法的特异性还是非常高的。真的用起来我们肯定是没法事先在体外标记好CTCs的,所以研究者又尝试了直接在循环内标记。先放入MPs,再放磁线,CTCs捕获率也达到了41-85%!而且放入的MPs有97%都被成功回收了!研究者还把循环中的buffer换成了人类全血,这样整个系统的粘稠度上升了3-4倍,但是捕获率还是很不错滴,理想标记状况下有34-55%,直接在系统内标记则有33-40%。
    令人高兴的是,这些被捕获的CTCs洗脱后仍然有活性,在培养皿中生长得和未标记CTC一样,MPs标记也不会影响它们的基因表达,说明用磁线钓来的CTC拿去分析患者肿瘤表型完全没有问题!考虑到在体内,CTCs实际上寿命很短,大范围内用MPs标记可能效率并不高,研究者们又进一步改进了这个方法。直接在插入磁线的上游注射MPs,只在局部提高MPs浓度,路过的CTC立刻被标记立刻被收集。这种方法也允许使用更大颗粒的MPs,可以增大磁力。
    体外实验显示,改进后的方法效果也很好,96%的MPs都在第一次经过磁线的时候被捕获了,buffer中的CTCs捕获率有22-46%,血液中则有39-70%。

上游加MPs,下游下钓钩,磁线还有聚四氟乙烯保护套 

上游加MPs,下游下钓钩,磁线还有聚四氟乙烯保护套,不担心生物不相容

接下来就是体内实验了。研究者选择了猪的耳静脉,因为这段血管与人类手臂上的头静脉比较相似,可以很好地模拟人体内的情况。
    遗憾,内源CTCs模型建造有困难,研究者还是得采用注射外源CTCs的方法来模拟约100个CTCs/ml的血液环境。结果显示,2500-10000个CTCs,磁线成功捕获了1-8%,捕获成果与抽5ml血相比达到了10-80倍了!

对比此前在体外模拟循环中测得,CellCollector的捕获率只有0.0016±0.0003%,磁线的捕获率达到了500-5000倍!

实际装置和造影下的磁线 

实际装置和造影下的磁线

那么现在问题就剩,这个方法对身体有害吗?铁纳米粒子本身可以用于治疗贫血,也有Feraheme这样的FDA批准药物。研究者也在小鼠中进行了安全性实验,注射15倍剂量的MPs,然后在1天、1周、1月后给小鼠体检,结果显示注射后只有白细胞短暂下降了,随后一切指标都很正常,并没有出现铁过载现象。MPs本身半衰期只有约2.8分钟,注射后15分钟内就能够清除97%,它的代谢路径也与其他的铁纳米粒子相似,想来还是比较安全的。

体内实验中,磁线表现出了1-8%的捕获率,不过实际上猪耳血管结构很复杂,有很多分支,并非所有被标记的CTCs都通过了磁线,最好的证据就是,体外能够捕获96%的MPs,但是体内只能捕获34%。而且实验中使用了造影剂,这可能会让CTCs粘到血管壁上;为了模拟多加的那根注射管,也会刺激血管紧缩,导致更多CTCs逃过磁线的检查。如果这项技术能够应用在人体上,更长更平滑的头静脉将允许更长的标记时间和更大的检测量,真实的捕获率可能要在三倍以上。

猪耳血管造影,可见枝枝杈杈很多 

 

猪耳血管造影,可见枝枝杈杈很多

这项技术硬要挑个问题,恐怕就是侵入性了。不过对比癌症治疗的收益,这也是值得冒的风险。期待磁力“鱼线”能够早日走入临床。或许有一天它不仅仅能够用于癌症早期检测、肿瘤异质性分析,还可以变身磁力“渔网”把癌细胞一网打尽。