微流控液体活检原理

　　伊利诺伊大学芝加哥分校和澳大利亚昆士兰科技大学的研究人员开发了一种设备，可以从患者血液样本中分离出单个癌细胞。这种微流控设备的工作原理是将在血液中发现的各种细胞类型按其大小进行分离。也许有朝一日，这种设备可以让快速价廉的液体活检帮助发现癌症并制定有针对性的治疗计划。这项发现发表在《微系统与纳米工程》(Microsystems & Nanoengineering)在线期刊上。

　　“这种新的微流控芯片让我们能够将癌细胞从全血(未除去任何成分的血液)或最低限度稀释的血液中分离出来。”伊安·帕帕茨基(Ian Papautsky)说，“虽然可以用设备检测血液中的循环肿瘤细胞(CTCs)，但大多数设备都相当昂贵，许多研究实验室或医院都买不起。”我们的设备价格低廉，不需要制备太多试样，也不需要过多稀释液体，使用起来方便快捷。

图片显示了微流控设备如何将癌细胞从血液中分离出来。绿色的圆圈代表癌细胞。图源：Ian Papautsky

　　成功分离癌细胞是实现液体活检的关键一步，在液体活检中，可以通过简单的抽血检测癌症。如果采用组织活检这一方法诊断癌症，则需要用到穿刺针或者进行手术，而抽血检测则免去了这两者带来的不适感和相关费用。液体活检还可以用于跟踪观察一段时间内化疗的疗效，以及检测大脑和肺等器官的癌症，而这类器官的癌症都是传统活检技术难以检测到的。

　　然而，由于血液中的循环肿瘤细胞不多，因此将它们从血液中分离并非易事。而且对许多癌症来说，将近10亿个血细胞中才有一个癌细胞。帕帕特斯基说:“7.5毫升是标准的抽血容积。而这样一管血，可能含有10个癌细胞和350  -400亿个血细胞。所以实际上，这同大海捞针没什么两样。”

　　采用微流控技术的设备为传统的液体细胞检测方法提供了一种替代方法。这些设备要么在目标细胞经过时使用肿瘤标记物将其捕捉，要么利用目标细胞的物理特性(主要是尺寸)将其与液体中的其他细胞分离开来。

　　帕帕茨基和他的同事开发的装置是利用大小将肿瘤细胞从血液中分离出来。帕帕茨基说:“在液体中，利用大小差异来分离细胞要比用亲和层析分离容易得多，后者使用“粘性”标签在目标细胞经过时将其捕捉。而且亲和层析还需要大量的高级净化工作，这是大小分离法所不需要的。”

　　帕帕茨基和他的同事利用惯性迁移和剪切诱导扩散的现象，开发了一种在癌细胞通过塑料制成的的“微通道”时，将其从血液中分离出来的装置。“我们仍在研究这些现象背后的物理原理，以及它们在设备中的相互作用，但它是根据细胞大小的微小差异来分离细胞的，这决定了细胞在液体柱中流动时对不同位置的吸引力。”

　　帕帕茨基和他的同事在5毫升的健康血液样本中加入了10个小细胞肺癌细胞，然后让血液在他们的设备中流通。用这个微流控设备，他们能够重新获得93%的癌细胞。而之前开发的用于从血液中分离循环肿瘤细胞的微流控设备，其回收率在50%到80%之间。

　　他们从诊断为非小细胞肺癌的患者身上采集了8份血液样本，使用该微流控设备，他们能够从其中6份样本中分离出癌细胞。

　　帕帕特斯基说，设备除了高效可靠之外，几乎不需要稀释也是其优点之一。“在不稀释的情况下，样品的运行时间和制备时间都缩短了。”他们在实验中使用全血以及稀释了三倍的血液，这一稀释倍数与使用基于惯性迁移的设备进行细胞分离的其他方案相比是很低的。

　　帕帕特斯基和同事艾丽西娅·休伯特(Alicia Hubert)医生将使用伊利诺伊大学癌症中心的病人的血液来继续测试他们原型设备的有效性。