研究论文介绍

磁性纳米粒子对癌细胞的筛选

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

. 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

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。

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)

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。

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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Peng Li

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