第一作者：宋彦龄

通讯作者：杨朝勇

研究亮点：

1. 提出了基于流体力学分离与仿生多价识别的多尺度协同循环肿瘤细胞捕获富集新策略。

2. 通过加入谷胱甘肽进行配体交换，实现循环肿瘤细胞无损释放进行下游细胞培养及基因突变检测。

为什么要发展基于循环肿瘤细胞的液体活检方法

众所周知，癌症的早期筛查、早期诊断和预后监测是提高患者生活质量及生存率的重要保障。作为肿瘤诊断的金标准，组织活检存在取样困难、侵入性大、代表性不全、存在并发症风险等不足，因此亟需发展新型肿瘤精准诊断新方法。

近年来，针对血液等体液中循环靶标包括循环肿瘤细胞（CTC）的液体活检被认为是今后癌症体外检测的发展方向之一，已成为当前恶性肿瘤诊断领域的前沿。

CTC是存在于外周血中各类肿瘤细胞的统称，从肿瘤母体脱离、浸润周围组织而进入血液中，通过血液循环抵达其他器官和组织，导致肿瘤转移扩散。CTC可提供肿瘤病灶的基因组变异、mRNA表达异常、蛋白质组变化、细胞形态与功能等信息, 相对于其它标志物更能全面系统地反映肿瘤病灶的分子病理信息。与传统组织活检相比，基于CTC检测的液体活检技术具有肿瘤分子信息全面、侵入性小、取样方便、无放射性污染、成本低等优势，已成为目前最具发展潜力的肿瘤无创诊断和实时疗效监测手段之一。

CTC液体活检面临的挑战

由于CTC一般是以几个到几十个细胞存在于几十亿个正常细胞之中，临床进行CTC分析鉴定犹如大海捞针，挑战巨大。

成果简介

有鉴于此，杨朝勇教授团队提出了基于流体力学分离与仿生多价识别的微流控芯片多尺度协同捕获富集新策略。

图1. 仿生章鱼芯片工作原理图。外周血可直接通入芯片，肿瘤细胞不断与三角形微柱碰撞并被章鱼状探针抓获，而血细胞直接穿过而不被保留。被抓获的肿瘤细胞可被无损释放，用于下游用药筛选、DNA测序分析等，为临床提供精准分子水平信息。

要点1：仿生章鱼微流控芯片的设计

研究团队设计的仿生章鱼微流控芯片由上万个修饰有可以特异捕获CTC的核酸适体探针的微柱构成，这些微柱阵列可在微米尺度上实现细胞尺寸选择性流体力学调控。大尺寸的CTC可与微柱反复碰撞接触而增加被探针抓住的机会，而正常细胞因尺寸较小沿液流方向运动且很少与微柱碰撞而避免被误抓。

在纳米尺度上，每个微柱表面布满了金纳米颗粒，且每个金纳米上修饰了上百条核酸适体探针。这些核酸适体像章鱼的触手捕食一样可以相互协作，捕获效率相比于单价的核酸适体提高3倍，从而实现CTC的高效率捕获。捕获后的细胞可以通过加入生物兼容性好的谷胱甘肽分子进行配体交换反应，使核酸适体从纳米界面上脱落，从而保证了CTC无损释放，实现下游的细胞培养及基因突变检测。

要点2：微流控芯片的CTC液体活检

通过对正常人、结肠癌、前列腺癌临床41例样本的盲测，该团队验证了所发展的芯片技术仅需1 mL外周血就可以有效区分肿瘤患者和正常人。特别是其中一例病人通过血液PSA和B超等临床诊断为前列腺增生，而所发展的芯片技术在其外周血中捕获到CTC，最终该名患者在尿道前列腺激光剜除术后病理判断为偶发性前列腺癌（T1N0M0期）。这一病例体现了该方法的准确性。

图2. A）KRAS基因突变检测。B) 正常人、结肠癌、前列腺癌样品外周血CTC捕获结果。C）部分病人CTC和白细胞荧光染色照片。D）癌症患者CTC释放情况。

小结

这种基于流体力学分离与仿生多价识别的多尺度协同循环肿瘤细胞捕获富集新策略，在微米尺度上实现CTC选择性增频碰撞，在纳米尺度上实现核酸适体多价协同捕获，不仅提高捕获效率，同时改善捕获纯度。该工作在肿瘤分期诊断、动态监测、疗效评估、药物开发和预后监测等方面有广阔的应用前景。

参考文献：

Song Y, Shi Y, Huang M, et al. BioinspiredEngineering of Multivalent Aptamer‐Functionalized Nanointerface to EnhanceCapture and Release of Circulating Tumor Cells. Angewandte Chemie InternationalEdition, 2018.

DOI: 10.1002/anie.201809337

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201809337