本文翻译投稿张寻

最近，我在学校听了一次让我印象颇深的演讲，于是想在这里向大家分享。

本次的演讲者是多伦多大学的Shana O. Kelley教授。她致力于以DNA为模板的纳米材料和检测特定细胞、生物分子的生物装置为中心的研究。同时她的名字也曾被列入MIT’s Technology Review的top100创新研究者（2004）之中。

Shana O. Kelley教授（照片来源：Kelly研究室网站主页）

以下是本文所引用的论文。

Tracking the dynamics of circulating tumour cell phenotypes using nanoparticle-mediated magnetic ranking”

Poudineh, M.; Aldridge, P. M.; Ahmed, S.; Green, B. J.; Kermanshah, L.; Nguyen, V.; Tu, C.; Mohamadi, R. M.; Nam, R. K.; Hansen, A.; Sridhar, S. S.; Finelli, A.; Fleshner, N. E.; Joshua, A. M.; Sargent, E. H.; Kelley, S. O.

Nat. Nanotechnol.2017,12, 274. DOI

１.研究背景

本次研究的对象为从癌变的组织中脱离，在血液中循环的肿瘤（癌）细胞。

癌细胞从组织脱离进入血管。虽然大多数癌细胞会因人体自身免疫系统攻击而被杀死，但少数的癌细胞会存活，在血液中的浓度为1ppb(十亿分之一)左右。目前普遍认为，癌细胞转移与CTC(循环肿瘤细胞)有关。对CTC上发现的生物标志物及其遗传基因变异等方面的研究目前十分热门

但因为CTC在每10ml血液中只存在几个或几十个，其他的血液细胞含量相对要多很多。所以从血液样本中有选择性地提取CTC是十分困难的。在生物学领域中，使用荧光标识来筛选细胞的FAC法(fluorescence activated cell sorting)被广泛使用。但目前的灵敏度和分辨率还难以筛选血液中的CTC。

2、通过磁性纳米粒子来捕捉细胞

图2通过磁性筛选细胞的设备

该方法是通过以下途径来实现的：

1、使用带抗体的磁性纳米粒子来标记血液中的干细胞

2、使血液样本流过微观流体设备（图2）

3、通过流路中的X型结构（图2中黄色部分），筛选并捕捉目标细胞。

本方法的关键在于微观流体设备内设置的X结构。X结构的中心放入了镍微磁体，从而可以与细胞上的磁性纳米粒子相互吸引。微磁体的大小，从流路入口到出口渐渐变大，进而能够控制细胞和流路之间的相互作用。

图3筛选细胞的微流体设备的内部构造

在细胞表面上标志的磁性纳米粒子数量多的时候，为使镍微磁体和细胞间的相互作用增强，如图3中的（i），一般会扩大其捕捉范围。相反，如果细胞上标志的磁性纳米粒子数量少的时候，就会像图3中的（ii）一样将捕捉领域缩小。通过这样的原理，磁性粒子装载量不同的细胞就可以通过微流体设备进行分离。

关于磁性纳米粒子的装载量，因为在细胞上发现的生物标志物数量不同，就可以通过细胞表面特性的不同而对细胞进行筛选。

3、根据上皮细胞粘附分子（EpCAM）的数量来筛选癌细胞

Kelley等首先尝试了这种方式，并且通过相应的实验来验证是否其具有筛选不同癌细胞的能力。实验中使用MCF-7、SKBR3、PC-3、MDA-MB-231四种细胞为对象。仔细调查这些细胞的上皮细胞粘附分子数量，并以此为标志来进行细胞筛选（图4）

图4根据EpCAM的检出量不同对于癌细胞进行筛选。图中所示为通过流式细胞仪筛选的数据。

让细胞分别流经MagRC，四种细胞将会分布在设备中的不同区域。因为MCF-7在离流路入口最近的位置（Zone number比较小，且镍磁体比较小的地方）被捕捉到，所以也就表明EpCAM量较大。另一方面，我们在出口附近捕捉到了PC-3和MDA-MB-231，这说明它们的EpCAM量很少。实际上，如果通过流式细胞法筛选这四种细胞的话，不难理解其检出EpCAM的量是和MagRC的检测结果一致的。特别需要注意的是，和流式细胞法相比，使用MagRC法，解析能力会更加出色。

4. 血液样品中癌细胞的捕捉

由上述可知，实验所用的样本只含有单一种类的细胞，如果要运用于实际中，则就必须要能在混杂着红细胞和白细胞的血液中分离出癌细胞。因此，Kelly等人使用人体全血，以EpCAM为标志物对于细胞进行筛选。

图5 PBS（上方两图）以及全血（下方两图）中的癌细胞分离。左侧图为MagRC中数据，右侧图为流式细胞仪中数据。

图5展示了在1ml全血（或者PBS）中混入100个或10000个癌细胞，使用MagRC和流式细胞仪进行细胞分离时的情况。在使用流式细胞仪的PBS样本中，癌细胞数量少的时候（100个，如右上图所示），无法得到相应的信号。在全血样本中也仅能得到本底信号，无法检测出癌细胞。

另一方面，在使用MagRC时，即使是1ml中只混入100个癌细胞的样品，也可以做到有效地分离。在图5的左侧上下两幅图中，PBS和全血中均检出细胞，经确认，检出的细胞中并没有除癌细胞以外的细胞。

5、癌症患者的血液分析

同时，Kelley等也使用MagRC的方法对于癌症患者的血液样本进行分析。从转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）以及局限性前列腺癌（localized prostate cancer）患者中采集血液样本，使用指示癌细胞恶化程度Gleason分级（P1到P14）方法，绘制下图（图6）

图6 对不同种类的癌细胞CTC分布进行比较（来自于论文），前列腺癌（右图）中，Gleason分级为P1-3: 6、P4-9: 7、P10-14: 8-9。

通过比较左右两图可以看出，每个mCRPC患者（左）的EpCAM检出量都很低，而局限性前列腺癌患者（右）则因个体的不同，检出量也不尽相同。随着Gleason分级的增大，CTC的EpCAM发现量逐渐减少。如果是具有转移性的癌症，细胞上皮失去活性，发生上皮-间叶转化时，EpCAM的检出量也会减少。

6、总结

本论文所介绍的磁性纳米离子细胞筛选法（MagRC），通过细胞的表面特性，成功分离了血液中极少量的癌细胞。此方法不仅仅局限于使用EpCAM作为标志物，其他各种标志分子均可以使用。在这里，笔者也期待此方法今后能对癌细胞转移的研究做出突出的贡献。

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