磁“钓”癌细胞！斯坦福科学家发明柔性磁线，捕获血液中循环肿瘤细胞效率达传统方法80倍

液体活检这个概念火了不是一天两天了。从血液中获取循环肿瘤细胞（CTCs）进行分析，这是癌症早期诊断和精准医疗的基础。

最大的障碍也出在这里。CTCs是真的少，临床上抽个5-10ml的血液，很可能都检不出来啥[1]。有没有什么更好的办法能够把这些“少数分子”聚集起来一网捞起呢？

有了！本周在《自然生物医学工程》杂志上发表了一篇新研究，哈佛医学院的放射学大牛Sanjiv Gambhir教授团队开发了一套磁力“鱼线”，将不到小指长的磁性金属线伸入血管，磁性纳米粒子标记的CTCs就会迅速被“钓起”。与抽5ml血相比，这条鱼线的效率达到了10-80倍，而与另外一种类似的商业检测方法GILUPI CellCollector相比，效率可以达到500-5000倍！[2]

通过改变纳米粒子的结合方式，这种方法也可以用来检测DNA、RNA、蛋白质等其他稀有生物标记物！

CTCs是真的少。虽然癌症患者体内可能存在着成百上千的CTCs，但是同时人体血容量大约在5L左右，5-10ml血样里能够含有的CTCs简直屈指可数。有位科学家说得好，这就像让你从浴缸里捞一粒沙，但是只给你舀一杯水。

就算这一杯水里恰好舀到了沙子，那就够了吗？我们都知道，肿瘤存在很大的异质性，少量的CTCs可能根本不足以描述肿瘤的特征[3]，考虑到测试药物敏感性也需要几十到几百个肿瘤细胞[4,5]，获取的CTCs自然是越多越好。

那么增加检测的样本的容量又如何呢？把全身的血液都提出来分析一遍？像是体外循环、透析这类方法倒是可以做到，不过不管风险还是成本都太高了。

另一个思路是在体内捕捉CTCs，比如说GILUPI的CellCollector技术，这种技术是将涂布了对应抗体的金属材料置入血管收集CTCs[7]，不过它的收集效率比较一般，这可能是因为光靠抗原抗体之间的作用，“抓捕”力量还是不太够。

哎？癌细胞自己过不来，拉它一把！

想要快速、大量地从血流中抓取CTCs，关键还是要有足够强的结合力，研究者们选择了磁力。这套磁力鱼线的设计也蛮简洁的，先用包裹着抗体的纳米粒子标记CTCs，然后放上磁力线等着抓就行了！

研究者算了一笔账。假设1ml血液里有1个CTC，那么理想情况下5ml血液样本里能检出5个CTC。如果用磁力线呢，1小时足够全身血液通过一条2-3mm直径的静脉血管了，5L的血液啊，就算只能抓住5%的标记CTCs，那也能抓到250个，足有血样的50倍了，可行！

经过一番设计，研究者确定了1μm大小超顺磁性氧化铁粒子+EpCAM抗体的组合。EpCAM是一种上皮细胞来源癌细胞经常出现的细胞表面黏附分子，血细胞中不表达[29]。磁线则确定0.75mm直径、6cm长，这样磁力足以覆盖2-3mm直径血管，同时也不会造成血流不畅。

理论上，这套设备应该能够抓到90%以上被包被抗体纳米粒子（MPs）标记的CTCs了！

标记、捕获、洗脱培养、分析，完美！

来试一试吧！研究者们准备了一套机械模拟的循环系统，先放入了被MPs标记好的CTCs。放入磁线不到10min，上面已经吸满了MPs了！分析结果显示在三种不同CTCs浓度下（10、100、1000个/ml），捕获率达到了25-58%！

相对的呢，非EpCAM表达细胞、或者放置没有磁力的金属线，捕捉率分别只有0.6%和0.1%，可见这种方法的特异性还是非常高的。

真的用起来我们肯定是没法事先在体外标记好CTCs的，所以研究者又尝试了直接在循环内标记。先放入MPs，再放磁线，CTCs捕获率也达到了41-85%！而且放入的MPs有97%都被成功回收了！

捕获率高，特异性也高

研究者还把循环中的buffer换成了人类全血，这样整个系统的粘稠度上升了3-4倍，但是捕获率还是很不错滴，理想标记状况下有34-55%，直接在系统内标记则有33-40%。

令人高兴的是，这些被捕获的CTCs洗脱后仍然有活性，在培养皿中生长得和未标记CTC一样，MPs标记也不会影响它们的基因表达，说明用磁线钓来的CTC拿去分析患者肿瘤表型完全没有问题！

在更加粘稠的血液体系中效果也很好

考虑到在体内，CTCs实际上寿命很短[7,8]，大范围内用MPs标记可能效率并不高，研究者们又进一步改进了这个方法。直接在插入磁线的上游注射MPs，只在局部提高MPs浓度，路过的CTC立刻被标记立刻被收集。这种方法也允许使用更大颗粒的MPs，可以增大磁力。

体外实验显示，改进后的方法效果也很好，96%的MPs都在第一次经过磁线的时候被捕获了，buffer中的CTCs捕获率有22-46%，血液中则有39-70%。

上游加MPs，下游下钓钩

磁线还有聚四氟乙烯保护套，不担心生物不相容

接下来就是体内实验了。研究者选择了猪的耳静脉，因为这段血管与人类手臂上的头静脉比较相似，可以很好地模拟人体内的情况。

遗憾，内源CTCs模型建造有困难[9]，研究者还是得采用注射外源CTCs的方法来模拟约100个CTCs/ml的血液环境。结果显示，2500-10000个CTCs，磁线成功捕获了1-8%，捕获成果与抽5ml血相比达到了10-80倍了！

对比此前在体外模拟循环中测得，CellCollector的捕获率只有0.0016±0.0003%，磁线的捕获率达到了500-5000倍！

实际装置和造影下的磁线

那么现在问题就剩，这个方法对身体有害吗？铁纳米粒子本身可以用于治疗贫血，也有Feraheme这样的FDA批准药物。

研究者也在小鼠中进行了安全性实验，注射15倍剂量的MPs，然后在1天、1周、1月后给小鼠体检，结果显示注射后只有白细胞短暂下降了，随后一切指标都很正常，并没有出现铁过载现象。

MPs本身半衰期只有约2.8分钟，注射后15分钟内就能够清除97%，它的代谢路径也与其他的铁纳米粒子相似[10-13]，想来还是比较安全的。

体内实验中，磁线表现出了1-8%的捕获率，不过实际上猪耳血管结构很复杂，有很多分支，并非所有被标记的CTCs都通过了磁线，最好的证据就是，体外能够捕获96%的MPs，但是体内只能捕获34%。

而且实验中使用了造影剂，这可能会让CTCs粘到血管壁上；为了模拟多加的那根注射管，也会刺激血管紧缩，导致更多CTCs逃过磁线的检查。

如果这项技术能够应用在人体上，更长更平滑的头静脉将允许更长的标记时间和更大的检测量，真实的捕获率可能要在三倍以上。

这项技术硬要挑个问题，恐怕就是侵入性了。不过对比癌症治疗的收益，这也是值得冒的风险。

期待磁力“鱼线”能够早日走入临床。或许有一天它不仅仅能够用于癌症早期检测、肿瘤异质性分析，还可以变身磁力“渔网”把癌细胞一网打尽。

参考资料：

[1] Alix-Panabières, C. & Pantel, K. Challenges in circulating tumour cell research. Nat. Rev. Cancer 14, 623–631 （2014）。

[2] https://www.nature.com/articles/s41551-018-0257-3#Sec25

[3] Yu, M., Stott, S., Toner, M., Maheswaran, S. & Haber, D. A. Circulating tumor cells: approaches to isolation and characterization. J. Cell Biol. 192,373–382 （2011）。

[4] Yu, M. et al. Ex vivo culture of circulating breast tumor cells for individualized testing of drug susceptibility. Science 345, 216–220 （2014）。

[5] Cayrefourcq, L. et al. Establishment and characterization of a cell line from human circulating colon cancer cells. Cancer Res. 75, 892–901 （2015）。

[6] Saucedo-Zeni, N. et al. A novel method for the in vivo isolation of circulating tumor cells from peripheral blood of cancer patients using a functionalized and structured medical wire. Int. J. Oncol. 41, 1241–1250 （2012）。

[7] Liu, Y. et al. Circulating tumor cells in HER2-positive metastatic breast cancer patients: a valuable prognostic and predictive biomarker. BMC Cancer 13, 202 （2013）。

[8]Meng, S. Circulating tumor cells in patients with breast cancer dormancy. Clin. Cancer Res. 10, 8152–8162 （2004）。

[9] Paterlini-Brechot, P. & Benali, N. L. Circulating tumor cells （CTC） detection: clinical impact and future directions. Cancer Lett. 253, 180–204 （2007）。

[10] Jain, T. K., Reddy, M. K., Morales, M. A., Leslie-Pelecky, D. L. & Labhasetwar, V. Biodistribution, clearance, and biocompatibility of iron oxide magnetic nanoparticles in rats. Mol. Pharm. 5, 316–327 （2008）。

[11]Tate, J. A., Petryk, A. A., Giustini, A. J. & Hoopes, P. J. In vivo biodistribution of iron oxide nanoparticles: an overview. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 7901, 790117 （2011）。

[12] Arami, H., Khandhar, A., Liggitt, D. & Krishnan, K. M. In vivo delivery, pharmacokinetics, biodistribution and toxicity of iron oxide nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 44, 8576–8607 （2015）。

[13]Tsoi, K. M. et al. Mechanism of hard-nanomaterial clearance by the liver. Nat. Mater. 15, 1212–1221 （2016）。

来源：奇点网

作者：奇点糕

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