血液活檢:新型微流控技術(shù)可以對癌細(xì)胞進(jìn)行詳細(xì)的遺傳分析

一種被稱為Hydro-Seq的新型微流控芯片，由密歇根大學(xué)工程系研究人員Euisik Yoon主導(dǎo)設(shè)計，用于捕獲循環(huán)腫瘤細(xì)胞（circulating tumor cells, CTCs）并分離其RNA以開發(fā)出更好的癌癥治療方法

從血液樣本中徹底分離出癌細(xì)胞的新方法可以幫助研究人員對癌細(xì)胞進(jìn)行全面的遺傳分析，從而幫助醫(yī)生更有效地進(jìn)行腫瘤治療和監(jiān)測。

與當(dāng)前方法相比，這是一種巨大的進(jìn)步，因為它還包含單個患者的癌細(xì)胞變異。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，密歇根大學(xué)（University of Michigan）瑪?shù)铝蘸臀鞯履帷じ２妓梗∕adeline and Sidney Forbes）腫瘤學(xué)教授，《自然通訊》（Nature Communications）期刊上這項研究的高級醫(yī)生Max Wicha表示，“這將打開一種全新的局面?！?/p>

早期的技術(shù)意味著需要在有限的癌細(xì)胞子集和全面的基因資料之間進(jìn)行取舍，或捕獲到大多數(shù)癌細(xì)胞但是只能查找少數(shù)基因。因此，基因資料通常會忽略那些重要的癌細(xì)胞群，包括被確認(rèn)在體內(nèi)傳播癌癥的細(xì)胞。

密歇根大學(xué)電氣工程和計算機(jī)科學(xué)系教授，兼論文高級作者Euisik Yoon表示，“我們發(fā)明的微流控芯片允許我們捕獲純循環(huán)腫瘤細(xì)胞，然后提取其中的遺傳信息，而不會受到來自紅細(xì)胞和白細(xì)胞的任何污染?！?/p>

許多現(xiàn)代抗癌藥物通過追蹤具有特定基因的細(xì)胞而起作用，這些基因標(biāo)志著它們作為癌細(xì)胞的身份。但是這些基因在患者癌細(xì)胞群中的活躍程度不一致，并且在治療過程中也會發(fā)生變化。

進(jìn)行重復(fù)活組織檢查以監(jiān)測腫瘤是痛苦的，并且對患者而言存在潛在風(fēng)險。從血液樣本中捕獲癌細(xì)胞提供了一種非侵入性的方法來觀察癌癥是否消失或是否對治療產(chǎn)生抗藥性。

Wicha指出，“這種方法不僅可以選擇靶向療法，還可以通過血液檢測來監(jiān)測這些療法對患者的影響?！?/p>

借助這種方法，該團(tuán)隊從21名乳腺癌患者的血液中收集并分析了666個癌細(xì)胞。

遺傳分析證實了即使是單個患者的癌細(xì)胞也通常會有不同的表現(xiàn)。Wicha的團(tuán)隊此前已經(jīng)證明癌癥轉(zhuǎn)移是由具有干細(xì)胞特性的癌細(xì)胞介導(dǎo)造成的。雖然癌癥干細(xì)胞僅占腫瘤細(xì)胞的百分之幾，但它們在血液中所占的癌細(xì)胞比例更高。在這項研究中，從血液樣本中捕獲的約30%-50%的癌細(xì)胞顯示出了類似干細(xì)胞的特性。

通過抓住細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)，從患者血液中捕獲干凈但不完整的癌細(xì)胞樣本特別容易錯過這一群體。類干細(xì)胞位于兩種更典型的細(xì)胞類型圖譜之間，意味著他們不會顯示一致的蛋白質(zhì)標(biāo)記。

只比一美分大一點，被稱為Hydro-Seq的“芯片實驗室”裝置可以從血液樣本中對癌細(xì)胞進(jìn)行全面的遺傳分析

為了從一小瓶血液中獲得一組干凈、客觀的癌細(xì)胞，該團(tuán)隊采用了一種技術(shù)，根據(jù)細(xì)胞大小對血液樣本進(jìn)行篩選以去除血細(xì)胞。大約要從十億個血細(xì)胞中篩選出一個癌細(xì)胞，最后，這種方法每獲得一個癌細(xì)胞還保留約95個左右的血細(xì)胞，對于詳細(xì)的遺傳分析而言，這仍然造成了嚴(yán)重污染。

研究人員稱之為Hydro-Seq的新方法擺脫了遺留的血細(xì)胞，可以對每個細(xì)胞進(jìn)行分析。

該技術(shù)的關(guān)鍵是具有通道和腔室系統(tǒng)的微流控芯片。它通過每個腔室中的排水管吸收液體以一次性捕獲癌細(xì)胞，當(dāng)癌細(xì)胞到達(dá)時，腔室會堵塞，通道中的細(xì)胞則會通過并被卷入下一個腔室。然后，為了“清洗”掉芯片中的血細(xì)胞，它們將干凈的液體退回芯片并再次將其抽出，最終將幾乎所有的“污染”細(xì)胞帶走。

用干凈的樣本分離出癌細(xì)胞，研究團(tuán)隊完成了基因圖譜。他們追蹤細(xì)胞“轉(zhuǎn)錄組”，本質(zhì)上是每個細(xì)胞讀取和使用DNA的快照，以揭示細(xì)胞的活性基因。

他們用帶條形碼的磁珠捕獲轉(zhuǎn)錄組，該方法目前很難用于較小的細(xì)胞樣本。研究團(tuán)隊在每個腔室內(nèi)放入條形碼磁珠，然后在破壞細(xì)胞膜之前關(guān)閉腔室。這種方法釋放出RNA——從細(xì)胞DNA中讀取到的一小部分遺傳密碼，因此RNA附著到磁珠的條形碼遺傳密碼上。團(tuán)隊成員得以分別分析每個細(xì)胞所包含的內(nèi)容。

密歇根大學(xué)電氣工程和計算機(jī)科學(xué)助理研究員兼論文共同第一作者Yu-Chih Chen表示，“此前，我們可以用染色法一次測量兩到三個基因，現(xiàn)在我們可以通過一次測量每個細(xì)胞中的數(shù)千個基因來全面了解循環(huán)腫瘤細(xì)胞?！?/p>

通過Hydro-Seq從血液樣本中捕獲紅色標(biāo)記的癌細(xì)胞，血細(xì)胞則已經(jīng)被洗掉

對癌癥的治療就像是面對一個移動的目標(biāo)，因為癌癥會改變它們的基因表達(dá)，藥物殺死的只是其中一些細(xì)胞而不一定是其他細(xì)胞。密歇根大學(xué)內(nèi)科醫(yī)學(xué)助理教授兼論文共同作者M(jìn)onika Burness預(yù)計將在即將進(jìn)行的藥物試驗中使用新的微流控裝置追蹤患者的進(jìn)展情況。

研究針對癌癥患者的新藥物療法的Burness表示，“這是一種在細(xì)胞水平層面非常強(qiáng)大的監(jiān)測工具，對腫瘤治療的影響也將隨著時間而推移?！?/p>

該研究被公開發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。

Wicha同時也是福布斯癌癥發(fā)現(xiàn)研究中心（Forbes Institute for Cancer Discovery）的主任。Yoon是生物醫(yī)學(xué)工程系的教授，Chen是福布斯癌癥發(fā)現(xiàn)研究中心的新興學(xué)者。

本項工作獲得了美國國家衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）、乳腺癌研究基金會（Breast Cancer Research Foundation）、福布斯癌癥發(fā)現(xiàn)研究中心和密歇根大學(xué)轉(zhuǎn)化研究伙伴計劃（U-M Coulter Translational Research Partnership Program）的資助。微流控芯片研究裝置在密歇根大學(xué)Lurie納米加工實驗室中完成了制造。