密西根大學設計出新型微流控晶片 用於捕獲循環腫瘤細胞並分離

2020-12-03 電子發燒友

一種被稱為Hydro-Seq的新型微流控晶片，由密西根大學工程系研究人員Euisik Yoon主導設計，用於捕獲循環腫瘤細胞（circulating tumor cells, CTCs）並分離其RNA以開發出更好的癌症治療方法

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

與當前方法相比，這是一種巨大的進步，因為它還包含單個患者的癌細胞變異。

據麥姆斯諮詢報導，密西根大學（University of Michigan）瑪德琳和西德尼·福布斯（Madeline and Sidney Forbes）腫瘤學教授，《自然通訊》（Nature Communications）期刊上這項研究的高級醫生Max Wicha表示，「這將打開一種全新的局面。」

早期的技術意味著需要在有限的癌細胞子集和全面的基因資料之間進行取捨，或捕獲到大多數癌細胞但是只能查找少數基因。因此，基因資料通常會忽略那些重要的癌細胞群，包括被確認在體內傳播癌症的細胞。

密西根大學電氣工程和計算機科學系教授，兼論文高級作者Euisik Yoon表示，「我們發明的微流控晶片允許我們捕獲純循環腫瘤細胞，然後提取其中的遺傳信息，而不會受到來自紅細胞和白細胞的任何汙染。」

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

進行重複活組織檢查以監測腫瘤是痛苦的，並且對患者而言存在潛在風險。從血液樣本中捕獲癌細胞提供了一種非侵入性的方法來觀察癌症是否消失或是否對治療產生抗藥性。

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測這些療法對患者的影響。」

藉助這種方法，該團隊從21名乳腺癌患者的血液中收集並分析了666個癌細胞。

遺傳分析證實了即使是單個患者的癌細胞也通常會有不同的表現。Wicha的團隊此前已經證明癌症轉移是由具有幹細胞特性的癌細胞介導造成的。雖然癌症幹細胞僅佔腫瘤細胞的百分之幾，但它們在血液中所佔的癌細胞比例更高。在這項研究中，從血液樣本中捕獲的約30%-50%的癌細胞顯示出了類似幹細胞的特性。

通過抓住細胞表面的蛋白質，從患者血液中捕獲乾淨但不完整的癌細胞樣本特別容易錯過這一群體。類幹細胞位於兩種更典型的細胞類型圖譜之間，意味著他們不會顯示一致的蛋白質標記。

只比一美分大一點，被稱為Hydro-Seq的「晶片實驗室」裝置可以從血液樣本中對癌細胞進行全面的遺傳分析

為了從一小瓶血液中獲得一組乾淨、客觀的癌細胞，該團隊採用了一種技術，根據細胞大小對血液樣本進行篩選以去除血細胞。大約要從十億個血細胞中篩選出一個癌細胞，最後，這種方法每獲得一個癌細胞還保留約95個左右的血細胞，對於詳細的遺傳分析而言，這仍然造成了嚴重汙染。

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

該技術的關鍵是具有通道和腔室系統的微流控晶片。它通過每個腔室中的排水管吸收液體以一次性捕獲癌細胞，當癌細胞到達時，腔室會堵塞，通道中的細胞則會通過並被捲入下一個腔室。然後，為了「清洗」掉晶片中的血細胞，它們將乾淨的液體退回晶片並再次將其抽出，最終將幾乎所有的「汙染」細胞帶走。

用乾淨的樣本分離出癌細胞，研究團隊完成了基因圖譜。他們追蹤細胞「轉錄組」，本質上是每個細胞讀取和使用DNA的快照，以揭示細胞的活性基因。

他們用帶條形碼的磁珠捕獲轉錄組，該方法目前很難用於較小的細胞樣本。研究團隊在每個腔室內放入條形碼磁珠，然後在破壞細胞膜之前關閉腔室。這種方法釋放出RNA——從細胞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。團隊成員得以分別分析每個細胞所包含的內容。

密西根大學電氣工程和計算機科學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，現在我們可以通過一次測量每個細胞中的數千個基因來全面了解循環腫瘤細胞。」

通過Hydro-Seq從血液樣本中捕獲紅色標記的癌細胞，血細胞則已經被洗掉

對癌症的治療就像是面對一個移動的目標，因為癌症會改變它們的基因表達，藥物殺死的只是其中一些細胞而不一定是其他細胞。密西根大學內科醫學助理教授兼論文共同作者Monika Burness預計將在即將進行的藥物試驗中使用新的微流控裝置追蹤患者的進展情況。

研究針對癌症患者的新藥物療法的Burness表示，「這是一種在細胞水平層面非常強大的監測工具，對腫瘤治療的影響也將隨著時間而推移。」

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

Wicha同時也是福布斯癌症發現研究中心（Forbes Institute for Cancer Discovery）的主任。Yoon是生物醫學工程系的教授，Chen是福布斯癌症發現研究中心的新興學者。

本項工作獲得了美國國家衛生研究院（National Institutes of Health）、乳腺癌研究基金會（Breast Cancer Research Foundation）、福布斯癌症發現研究中心和密西根大學轉化研究夥伴計劃（U-M Coulter Translational Research Partnership Program）的資助。微流控晶片研究裝置在密西根大學Lurie納米加工實驗室中完成了製造。

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