液體活檢這個概念火了不是一天兩天了。從血液中獲取循環腫瘤細胞（CTCs）進行分析，這是癌症早期診斷和精準醫療的基礎。
最大的障礙也出在這裡。CTCs是真的少，臨床上抽個5-10ml的血液，很可能都檢不出來啥[1]。有沒有什麼更好的辦法能夠把這些“少數分子”聚集起來一網撈起呢？
有了！本週在《自然生物醫學工程》雜誌上發表了一篇新研究，哈佛醫學院的放射學大牛Sanjiv Gambhir教授團隊開發了一套磁力“魚線”，將不到小指長的磁性金屬線伸入血管，磁性納米粒子標記的CTCs就會迅速被“釣起”。與抽5ml血相比，這條魚線的效率達到了10-80倍，而與另外一種類似的商業檢測方法GILUPI CellCollector相比，效率可以達到500-5000倍！[2]
通過改變納米粒子的結合方式，這種方法也可以用來檢測DNA、RNA、蛋白質等其他稀有生物標記物！
Sanjiv Gambhir教授
CTCs是真的少。雖然癌症患者體內可能存在著成百上千的CTCs，但是同時人體血容量大約在5L左右，5-10ml血樣裡能夠含有的CTCs簡直屈指可數。有位科學家說得好，這就像讓你從浴缸裡撈一粒沙，但是隻給你舀一杯水。
就算這一杯水裡恰好舀到了沙子，那就夠了嗎？我們都知道，腫瘤存在很大的異質性，少量的CTCs可能根本不足以描述腫瘤的特徵[3]，考慮到測試藥物敏感性也需要幾十到幾百個腫瘤細胞[4,5]，獲取的CTCs自然是越多越好。
那麼增加檢測的樣本的容量又如何呢？把全身的血液都提出來分析一遍？像是體外循環、透析這類方法倒是可以做到，不過不管風險還是成本都太高了。
另一個思路是在體內捕捉CTCs，比如說GILUPI的CellCollector技術，這種技術是將塗布了對應抗體的金屬材料置入血管收集CTCs[7]，不過它的收集效率比較一般，這可能是因為光靠抗原抗體之間的作用，“抓捕”力量還是不太夠。
哎？癌細胞自己過不來，拉它一把！
叫你一聲就問你敢不敢不來
想要快速、大量地從血流中抓取CTCs，關鍵還是要有足夠強的結合力，研究者們選擇了磁力。這套磁力魚線的設計也蠻簡潔的，先用包裹著抗體的納米粒子標記CTCs，然後放上磁力線等著抓就行了！
研究者算了一筆賬。假設1ml血液裡有1個CTC，那麼理想情況下5ml血液樣本里能檢出5個CTC。如果用磁力線呢，1小時足夠全身血液通過一條2-3mm直徑的靜脈血管了，5L的血液啊，就算只能抓住5%的標記CTCs，那也能抓到250個，足有血樣的50倍了，可行！
經過一番設計，研究者確定了1μm大小超順磁性氧化鐵粒子+EpCAM抗體的組合。EpCAM是一種上皮細胞來源癌細胞經常出現的細胞表面黏附分子，血細胞中不表達[29]。磁線則確定0.75mm直徑、6cm長，這樣磁力足以覆蓋2-3mm直徑血管，同時也不會造成血流不暢。
理論上，這套設備應該能夠抓到90%以上被包被抗體納米粒子（MPs）標記的CTCs了！
標記、捕獲、洗脫培養、分析，完美！
來試一試吧！研究者們準備了一套機械模擬的循環系統，先放入了被MPs標記好的CTCs。放入磁線不到10min，上面已經吸滿了MPs了！分析結果顯示在三種不同CTCs濃度下（10、100、1000個/ml），捕獲率達到了25-58%！
相對的呢，非EpCAM表達細胞、或者放置沒有磁力的金屬線，捕捉率分別只有0.6%和0.1%，可見這種方法的特異性還是非常高的。
真的用起來我們肯定是沒法事先在體外標記好CTCs的，所以研究者又嘗試了直接在循環內標記。先放入MPs，再放磁線，CTCs捕獲率也達到了41-85%！而且放入的MPs有97%都被成功回收了！
捕獲率高，特異性也高
研究者還把循環中的buffer換成了人類全血，這樣整個系統的粘稠度上升了3-4倍，但是捕獲率還是很不錯滴，理想標記狀況下有34-55%，直接在系統內標記則有33-40%。
令人高興的是，這些被捕獲的CTCs洗脫後仍然有活性，在培養皿中生長得和未標記CTC一樣，MPs標記也不會影響它們的基因表達，說明用磁線釣來的CTC拿去分析患者腫瘤表型完全沒有問題！
在更加粘稠的血液體系中效果也很好
考慮到在體內，CTCs實際上壽命很短[7,8]，大範圍內用MPs標記可能效率並不高，研究者們又進一步改進了這個方法。直接在插入磁線的上游注射MPs，只在局部提高MPs濃度，路過的CTC立刻被標記立刻被收集。這種方法也允許使用更大顆粒的MPs，可以增大磁力。
體外實驗顯示，改進後的方法效果也很好，96%的MPs都在第一次經過磁線的時候被捕獲了，buffer中的CTCs捕獲率有22-46%，血液中則有39-70%。
上游加MPs，下游下釣鉤
磁線還有聚四氟乙烯保護套，不擔心生物不相容
接下來就是體內實驗了。研究者選擇了豬的耳靜脈，因為這段血管與人類手臂上的頭靜脈比較相似，可以很好地模擬人體內的情況。
遺憾，內源CTCs模型建造有困難[9]，研究者還是得采用注射外源CTCs的方法來模擬約100個CTCs/ml的血液環境。結果顯示，2500-10000個CTCs，磁線成功捕獲了1-8%，捕獲成果與抽5ml血相比達到了10-80倍了！
對比此前在體外模擬循環中測得，CellCollector的捕獲率只有0.0016±0.0003%，磁線的捕獲率達到了500-5000倍！
實際裝置和造影下的磁線
那麼現在問題就剩，這個方法對身體有害嗎？鐵納米粒子本身可以用於治療貧血，也有Feraheme這樣的FDA批准藥物。
研究者也在小鼠中進行了安全性實驗，注射15倍劑量的MPs，然後在1天、1周、1月後給小鼠體檢，結果顯示注射後只有白細胞短暫下降了，隨後一切指標都很正常，並沒有出現鐵過載現象。
MPs本身半衰期只有約2.8分鐘，注射後15分鐘內就能夠清除97%，它的代謝路徑也與其他的鐵納米粒子相似[10-13]，想來還是比較安全的。
體內實驗中，磁線表現出了1-8%的捕獲率，不過實際上豬耳血管結構很複雜，有很多分支，並非所有被標記的CTCs都通過了磁線，最好的證據就是，體外能夠捕獲96%的MPs，但是體內只能捕獲34%。
而且實驗中使用了造影劑，這可能會讓CTCs粘到血管壁上；為了模擬多加的那根注射管，也會刺激血管緊縮，導致更多CTCs逃過磁線的檢查。
如果這項技術能夠應用在人體上，更長更平滑的頭靜脈將允許更長的標記時間和更大的檢測量，真實的捕獲率可能要在三倍以上。
豬耳血管造影，可見枝枝杈杈很多
這項技術硬要挑個問題，恐怕就是侵入性了。不過對比癌症治療的收益，這也是值得冒的風險。
期待磁力“魚線”能夠早日走入臨床。或許有一天它不僅僅能夠用於癌症早期檢測、腫瘤異質性分析，還可以變身磁力“漁網”把癌細胞一網打盡。
科學家腦洞真大！
為了抵抗疾病，研究者還有什麼奇思妙想呢？《Medical Trend》裡都有！
[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).
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本文作者 | 代絲雨
“GILUPI被對比得有點可憐。”
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