外周血循环肿瘤细胞检测技术进展

外周血循环肿瘤细胞检测技术,主要内容,循环肿瘤细胞检测的意义循环肿瘤细胞检测的基本原理纳米材料技术在循环肿瘤细胞检测中的应用微流控技术在循环肿瘤细胞检测中的应用,循环肿瘤细胞（circulatingtumorcells,CTCs）,1896年Ashworth在患者外周血中发现与原发肿瘤细胞体积和形态相似的细胞；目前CTCs定义为自发或因诊疗操作脱离实体瘤原发灶或转移灶进入外周血循环的一类肿瘤细胞。,AshworthTR.AustMedJ,1869,14:146-147AllardWJ,MateraJ,MillerMC,etal.ClinCancerRes,2004,10:6897-6904,研究CTCs的临床意义,TNM分期的重要补充疗效监测和预后判断个体化治疗的指导转移复发的早期预警血循环转移的机制,TNM分期的重要补充,基于解剖学特点的TNM分期存在许多不足CTCs可以做为TNM分期的重要补充2007年CTCs被ASCO推荐做为肿瘤标志物,PantelK,etal.NatRevCancer.2008.8(5):329-40HarrisL,etal.JClinOncol.2007.25(33):5287-312,CTCs的临床意义,疗效监测和预后判断,CTCs可以直接提示癌症患者对治疗的反应持续升高的CTCs提示肿瘤对治疗反应差恶性肿瘤患者CTCs的出现均提示预后不良治疗后CTCs出现与患者复发相关,IgnatiadisM,etal.JClinOncol.2007.25(33):5194-202LiuMC,etal.JClinOncol.2009.27(31):5153-9RackBK,etal.JClinOncol.2010.28(15):1003HayesDF,etal.ClinCancerRes.2006.12(14Pt1):4218-24CristofanilliM,etal.NEnglJMed.2004.351(8):781-91,CTCs的临床意义,个体化治疗的指导,个体化治疗方案的制定根据病灶的生物学特性转移灶的生物学特点与原发灶细胞存在差异针对CTCs的分析有助于为临床治疗提供个体化信息,StoeckleinNH,etal.IntJCancer.2010.126(3):589-98Alix-PanabieresC,etal.ClinChem.2013.59(1):110-8Alix-PanabieresC,etal.AnnuRevMed.2012.63:199-215,CTCs的临床意义,转移复发的早期预警,肿瘤转移是肿瘤发生发展的终末期，也是肿瘤病人死亡的主要原因目前常规检测肿瘤转移的方法主要影像学方法肿瘤转移的早期发生在细胞水平即便高分辨率的影像学方法也无法侦测CTCs检测可为潜在的转移提供线索，为早期针对性治疗提供可能,CristofanilliM,etal.JAMA.2010.303(11):1092-3BuddGT,etal.ClinCancerRes.2006.12(21):6403-9,CTCs的临床意义,血循环转移的机制,CTCs形成是血循环转移的必经步骤具有何种生物学特性的细胞容易转移,ChafferCL,etal.Science.2011.331(6024):1559-64PantelK,etal.TrendsMolMed.2010.16(9):398-406,CTCs的临床意义,CTCs特点,外周血含量低：110个CTC/mL血液1个CTC/109个血细胞；CTCs特性、形态及细胞标志随着内环境改变而改变，无统一鉴定标准。,以特异性抗体经抗原抗体吸附筛选,根据细胞大小进行富集,免疫细胞化学结合纳米材料,物理学,免疫学,免疫/化学,CTC富集方法,免疫磁性分离,阳性选择法MACS、Cellsearch系统以及CTC-Chip,阴性排除法CD45磁珠去除白细胞（IMB法）,抗原抗体吸附筛选,光镜下(放大倍数400倍)免疫磁珠吸附目标细胞,分子生物学方法(PCR),流式细胞技术,CellSearchTM（免疫磁珠技术）采用与细微铁颗粒结合的抗体(铁液)。铁液特异性结合循肿瘤细胞，其强大的磁场把循环肿瘤细胞“牵引”出血样，再用染色鉴定。,CellTracksAutoPrepSystem,CellSearch检测CTCs流程图,1、不同肿瘤表面抗体的表达量存在差异2、肿瘤发展过程中细胞的去上皮化,CTC研究现状,磁珠体积很小，不损伤细胞、不影响细胞功能、不影响细胞的特异染色(细胞膜，细胞质，细胞核)，显微镜下可直接观察或计算机计数。前期应用微米磁珠，比表面积小、尺寸大、稳定性差、易聚沉，致细胞分离效率低，难洗脱并保持细胞活性；检测成本高、样品用量多、样品检测时间长、检测过程封闭等诸多不足纳米技术增大比表面积，分散性好，降低机械压力，提高富集率,CTC方法学现状,纳米技术,纳米科技是指在纳米尺度(从单个原子、分子到亚微米尺度之间)上研究物质特性和相互作用，以及由纳米结构集成的功能系统。以此可获得结构可控、表面功能化的纳米材料和纳米结构；纳米材料具有一些独特的效应，包括小尺寸效应、量子尺寸效应、界面效应以及宏观量子遂道效应，使纳米材料在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异，表现出许多优异的性能和全新的功能；纳米技术增大比表面积，分散性好，降低机械压力，提高富集率。,基于非磁性纳米材料的CTC富集,基于纳米材料修饰表面将抗体功能化的不同形状的纳米材料(纳米颗粒、纳米线等)提高了细胞与捕获靶点的接触几率、方便将CTC细胞从表面洗脱，减少纳米颗粒吸附对于细胞活力和分析检测的影响,SekineJ,etal.AdvMater,2011,23(41):4788-4792ZhangN,etal.AdvMater,2012,24(20):2756-2760,基于非磁性纳米材料的CTC富集,基于纳米结构表面,肿瘤细胞和正常细胞在粗糙表面上具有不同的黏附特性，利用纳米粗糙表面(如功能化的纳米线、纳米柱)分离血液中的CTC,ChenWQ,etal.ACSNano,2013,7(1):566-575,HouS,etal.AdvMater,2013,25(11):1547-1551,微流控技术,微流控技术是一种针对极小量(10-910-18L)流体进行操控的系统科学技术;微流控芯片是微流控技术实现的主要平台和技术装置，其主要特征是容纳流体的有效结构(通道、反应室和其他某些功能部件)至少在一个维度上为微米级尺度。,2007年Toner在Nature报道他们开发的一套微流芯片系统-CTCschip核心是在单晶硅表面蚀刻形成的微柱阵列，表面经上皮细胞吸附分子（Anti-EpCAM）抗体进行修饰，对循环肿瘤细胞的选择性吸附和捕获被捕获的细胞分布在微流芯片三维空间内,纳米技术与微流控技术结合,CTC-chips,纳米技术与微流控技术结合,磁性纳米材料与微流控结合用于CTC富集；非磁性纳米材料与微流控结合用于CTC富集。,磁性纳米材料与微流控结合,与CellSearchTM原理类似；微流控芯片的样品量小、流速可控及构件透明；磁珠用量减少25%。,非磁性纳米材料与微流控结合,第二代CTC-chips,A)TheHB-Chipconsistsofamicrofluidicarrayofchannelswithasingleinletandexit.Insetillustratestheuniformbloodflowthroughthedevice.(B)Amicrographofthegroovedsurfaceillustratestheasymmetryandperiodicityoftheherringbonegrooves.Cartoonillustratingthecell-surfaceinteractionsin(C)theHB-Chip,and(D)atraditionalflat-walledmicrofluidicdevice.Flowvisualizationstudiesusingtwopairedstreamsofthesameviscosity(onestreamisgreen,theotherclear)demonstrate(E)thechaoticmicrovorticesgeneratedbytheherringbonegrooves,andthelackofmixingin(F)traditionalflat-walleddevices.,旧方法:病人血液样本通过一种表层涂有抗体的硅芯片，该抗体与肿瘤细胞结合，血液平滑流过microposts限制了与抗体覆盖层的接触。新方法：将血液标本经过一个人字形沟槽，可快速混合液体，并产生一个更乱的血流，显著增加捕获细胞的数量。,TonerM,etal.ProcNatlAcadSciUSA.2010，107(43):18392-7,HB-chips,BloodfrommetastaticprostatecancerpatientsandhealthydonorswasprocessedusingtheHB-Chip.(A)Healthydonors(n=10,redcircles)wereusedtoselectthesignalintensitythresholdinourautomatedimagingsystem(19).Themetastaticprostatecancerpatientdata(n=15,greencircles)hadsignificantlyhigherresults,with1415patientsamplespresentingCTCsabove-thresholdlevels.Additionally,(B)theTMPRSS2-ERGfusiontranscriptwasdetectedfromRNAisolatedfromtheHB-Chip,usingRT-PCR.SequencingofthegelbandidentifiedtheraregenefusionofTMPRSS2exon1andERGexon5.(CandD)MicrographsofCTCsisolatedfrompatientswithmetastaticprostatecancercostainedusingantibodiesagainstPSA(green),aleukocytemarker,CD45(red),andanuclearstain(DAPI).Correspondingmicrographsofthesamecellsareshowntotherightofthefluorescentimages,demonstratingtheirappearanceaftersubsequentstainingwithHandE.(Scalebars:10m).,TonerM,etal.ProcNatlAcadSciUSA.2010，107(43):18392-7,TonerM,etal.ProcNatlAcadSciUSA.2010，107(43):18392-7,AnAptamerBasedMicrofluidic