血液活检:新型微流控技术可以对癌细胞进行详细的遗传分析

一种被称为Hydro-Seq的新型微流控芯片，由密歇根大学工程系研究人员Euisik Yoon主导设计，用于捕获循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）并分离其RNA以开发出更好的癌症治疗方法

从血液样本中彻底分离出癌细胞的新方法可以帮助研究人员对癌细胞进行全面的遗传分析，从而帮助医生更有效地进行肿瘤治疗和监测。

与当前方法相比，这是一种巨大的进步，因为它还包含单个患者的癌细胞变异。

据麦姆斯咨询报道，密歇根大学（University of Michigan）玛德琳和西德尼·福布斯（Madeline and Sidney Forbes）肿瘤学教授，《自然通讯》（Nature Communications）期刊上这项研究的高级医生Max Wicha表示，“这将打开一种全新的局面。”

早期的技术意味着需要在有限的癌细胞子集和全面的基因资料之间进行取舍，或捕获到大多数癌细胞但是只能查找少数基因。因此，基因资料通常会忽略那些重要的癌细胞群，包括被确认在体内传播癌症的细胞。

密歇根大学电气工程和计算机科学系教授，兼论文高级作者Euisik Yoon表示，“我们发明的微流控芯片允许我们捕获纯循环肿瘤细胞，然后提取其中的遗传信息，而不会受到来自红细胞和白细胞的任何污染。”

许多现代抗癌药物通过追踪具有特定基因的细胞而起作用，这些基因标志着它们作为癌细胞的身份。但是这些基因在患者癌细胞群中的活跃程度不一致，并且在治疗过程中也会发生变化。

进行重复活组织检查以监测肿瘤是痛苦的，并且对患者而言存在潜在风险。从血液样本中捕获癌细胞提供了一种非侵入性的方法来观察癌症是否消失或是否对治疗产生抗药性。

Wicha指出，“这种方法不仅可以选择靶向疗法，还可以通过血液检测来监测这些疗法对患者的影响。”

借助这种方法，该团队从21名乳腺癌患者的血液中收集并分析了666个癌细胞。

遗传分析证实了即使是单个患者的癌细胞也通常会有不同的表现。Wicha的团队此前已经证明癌症转移是由具有干细胞特性的癌细胞介导造成的。虽然癌症干细胞仅占肿瘤细胞的百分之几，但它们在血液中所占的癌细胞比例更高。在这项研究中，从血液样本中捕获的约30%-50%的癌细胞显示出了类似干细胞的特性。

通过抓住细胞表面的蛋白质，从患者血液中捕获干净但不完整的癌细胞样本特别容易错过这一群体。类干细胞位于两种更典型的细胞类型图谱之间，意味着他们不会显示一致的蛋白质标记。

只比一美分大一点，被称为Hydro-Seq的“芯片实验室”装置可以从血液样本中对癌细胞进行全面的遗传分析

为了从一小瓶血液中获得一组干净、客观的癌细胞，该团队采用了一种技术，根据细胞大小对血液样本进行筛选以去除血细胞。大约要从十亿个血细胞中筛选出一个癌细胞，最后，这种方法每获得一个癌细胞还保留约95个左右的血细胞，对于详细的遗传分析而言，这仍然造成了严重污染。

研究人员称之为Hydro-Seq的新方法摆脱了遗留的血细胞，可以对每个细胞进行分析。

该技术的关键是具有通道和腔室系统的微流控芯片。它通过每个腔室中的排水管吸收液体以一次性捕获癌细胞，当癌细胞到达时，腔室会堵塞，通道中的细胞则会通过并被卷入下一个腔室。然后，为了“清洗”掉芯片中的血细胞，它们将干净的液体退回芯片并再次将其抽出，最终将几乎所有的“污染”细胞带走。

用干净的样本分离出癌细胞，研究团队完成了基因图谱。他们追踪细胞“转录组”，本质上是每个细胞读取和使用DNA的快照，以揭示细胞的活性基因。

他们用带条形码的磁珠捕获转录组，该方法目前很难用于较小的细胞样本。研究团队在每个腔室内放入条形码磁珠，然后在破坏细胞膜之前关闭腔室。这种方法释放出RNA——从细胞DNA中读取到的一小部分遗传密码，因此RNA附着到磁珠的条形码遗传密码上。团队成员得以分别分析每个细胞所包含的内容。

密歇根大学电气工程和计算机科学助理研究员兼论文共同第一作者Yu-Chih Chen表示，“此前，我们可以用染色法一次测量两到三个基因，现在我们可以通过一次测量每个细胞中的数千个基因来全面了解循环肿瘤细胞。”

通过Hydro-Seq从血液样本中捕获红色标记的癌细胞，血细胞则已经被洗掉

对癌症的治疗就像是面对一个移动的目标，因为癌症会改变它们的基因表达，药物杀死的只是其中一些细胞而不一定是其他细胞。密歇根大学内科医学助理教授兼论文共同作者Monika Burness预计将在即将进行的药物试验中使用新的微流控装置追踪患者的进展情况。

研究针对癌症患者的新药物疗法的Burness表示，“这是一种在细胞水平层面非常强大的监测工具，对肿瘤治疗的影响也将随着时间而推移。”

该研究被公开发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。

Wicha同时也是福布斯癌症发现研究中心（Forbes Institute for Cancer Discovery）的主任。Yoon是生物医学工程系的教授，Chen是福布斯癌症发现研究中心的新兴学者。

本项工作获得了美国国家卫生研究院（National Institutes of Health）、乳腺癌研究基金会（Breast Cancer Research Foundation）、福布斯癌症发现研究中心和密歇根大学转化研究伙伴计划（U-M Coulter Translational Research Partnership Program）的资助。微流控芯片研究装置在密歇根大学Lurie纳米加工实验室中完成了制造。