天网恢恢，疏而不漏——用微流体技术检测癌细胞

加拿大多伦多St. Michael’s Hospital李嘉诚医学中心

关键词：微流体、癌症检测、细胞筛

引子

        癌症因为无限增殖、极易变异、发生转移这三大特点使得都对它闻风色变。晚期的癌症往往伴随着全身的严重并发症，让病人备受折磨，现代医学治疗也往往束手无策。然而，早期癌症的治疗、控制却相对地容易得多，如果能早期发现并及时治疗，可以极大地提高病人的5-10年生存率乃至彻底治愈。

        但是怎样及早地发现早期癌症却是个令人头疼的问题，电视剧或者电影里我们可以常常看见医生在显微镜下观察患者的病理切片，实际上这些镜头并不算夸张。癌症诊断通常需要综合病史、检查、影像、实验室检测及必要时的病理活检。活检在很多情况下是确诊的重要依据，但不能概括成任何单项检查都能“100%确诊”。取样也有侵入性等局限。那么，有没有什么办法可以快速、微创，而且准确地检测出早期癌症呢？

        办法是有的。前面我们说过，癌症细胞的一大“恶习”就是特别容易转移，这是因为它们表面的一些特殊蛋白质也使得它们比正常细胞更容易发生移动[1]，顺着人体内的淋巴、组织液、血液发生迁移，这也就是癌症研究中常说的体内游离癌细胞（CTCs,circulating tumor cells）。CTCs与肿瘤播散和预后研究相关，但检测结果需结合其他临床信息解释，不能把一次CTC检测直接等同于癌症确诊。

        可是新的问题又来了，CTCs容不容易检测到呢？对于传统医学来说这很难：虽然普通癌细胞的尺寸（14~26微米）要比正常的红细胞（6~9微米）和白细胞（8~20微米）要大，而且具有显著的形貌特征[2]，但是CTC在人体血液中的数量非常少，相对于大量正常血细胞，其分离、鉴别和计数具有挑战，研究者需要专门的富集与检测方法。那我们还没有别的什么高灵敏度的手段可以用了呢？答案是—“有！”，这就是今天我们要介绍给大家的用于早期癌症检测的微流体技术。

微流体技术简介

        微流体技术是一种微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，发展形成于上世纪90年代初，是一门结合了物理、化学、生物、医学、工程制造等领域的交叉学科。顾名思义，“微”指的是尺寸小、精度高，可以精确地观测和操控几微米到几百微米的流体，“流体”是我们观测和操控的对象，可以是溶液，血液，气体，甚至是超临界流体。现代的微流体技术可以在几平方厘米的玻璃或者塑料芯片基底上集成数百乃至上万的功能单元，通过简单的实验设计，研究人员可以操作数个到数亿个微小尺度的小液滴、小气泡、生物细胞等基本单位，如图一。

图一：一块用于血液分析检测的聚合物基微流体芯片（来源：美国Brigham Young University）

微流体“细胞筛子”

        首先我们需要制备出一块小型的微流体芯片，这块芯片是由一种高分子材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成（参考图一），其生物相容性、清洁及重复使用条件需要针对具体装置验证。癌细胞和正常细胞混杂在一起进入整个微流体管道，管道的另一端形似筛子，比正常血细胞的尺寸要大一些，比癌细胞的尺寸要小一些，起到“过滤器”的作用。当癌细胞和正常细胞一起流过过滤器的时候，癌细胞会被挡在外面，红细胞和大部分白细胞可以自由穿过，而少部分较大的白细胞因为自身柔软容易变形，也可以在适当的加压下穿过过滤器，这样可富集血液中较大的细胞，随后还需结合免疫标记和细胞形态等分析鉴别CTCs；仅凭尺寸过滤不能完成癌症诊断（参考图二）。

图二：（A）癌细胞（绿色）和血细胞（红色）一起在微流体管道中被过滤；（B）血细胞可以正常通过过滤管道；（C）癌细胞无法穿过过滤管道。插图作者：罗楠-UX designer, Finastra, Toronto

        不同微流体检测平台的样本量和表现取决于实验设计。原文引用的研究[3]报告，在向血液中掺入培养肺癌细胞的实验中，不同细胞系的回收率为68%～100%；其临床研究检测的是已诊断的晚期肺癌患者。这些数据不能当作一般人群早期癌症筛查的准确率，也不能将细胞捕获率直接等同于癌症诊断准确率。

图三： 阵列式微流体过滤通道图示。RBC(红细胞)，WBC（白细胞），CTC（游离癌细胞）会被分离进入不同管道出口，收集分析 [4]。

总结

        这种方法简单快速，高效便捷，在微流体的“天网”下，血液中的极少量的游离癌细胞也无从隐藏，被我们快速地一一捕获分析，这也正是微流体技术相比传统检测技术的优势所在。。目前有很多的医药公司和研究机构都在大力地推进这一技术的批量产业化应用，微流体检测技术正在迅速地渗透到并帮助着癌症研究和治疗的方方面面，在不远的将来，我们会从中受益更多。当然我们希望大家还是要健康饮食，积极锻炼，什么癌症都不要有哦~~的风格。

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[1] Balic M, Williams A, Lin H, et al. Circulating tumor cells: from bench to bedside. Annu Rev Med, 2013, 64: 31-44

[2] Gorges T M, Tinhofer I, Drosch M, et al. Circulating tumour cells escape from EpCAM-based detection due to epithelial-tomesenchymal transition. BMC Cancer, 2012, 12(1): 178

[3] Hosokawa M, Kenmotsu H, Koh Y, et al. Size-based isolation of circulating tumor cells in lung cancer patients using a microcavity array system. PloS One, 2013, 8(6): e67466

[4] Tilman Todenhöfer et al.,Urologic Oncology,Volume 34, Issue 11, Pages 483.e9–483.e16

公众号同题稿配图

以下配图来自公众号留存的同题稿，按原图顺序补回。

本次校订依据：National Cancer Institute · How Cancer Is Diagnosed；NCI · Circulating tumor cell；Hosokawa et al., PLOS ONE (2013)。