最近，美國研究人員開發出一種微流控芯片，可以捕捉罕見的循環腫瘤細胞（CTC）群，這會對“癌癥如何擴散”產生新的重要認識。這項工作是由美國國家生物醫學成像和生物工程研究所（NIBIB，國立衛生研究院的一部分）資助。延伸閱讀：微芯片揭示腫瘤細胞如何變侵襲細胞。
循環腫瘤細胞（CTCs），是從實體瘤中脫離出來并進入癌癥患者血液循環的細胞。單個CTC是極為罕見的，通常10億個細胞中只有不到1個CTC細胞。這些細胞能在遠端器官定居下來，研究人員認為這是癌細胞擴散的一種模式。
比單個CTC更為罕見的是小的CTC群。雖然50多年來，科學家們已經知道CTC群的存在，但是它們在血液中的普遍性，以及在癌癥轉移中的作用，還沒有得以徹底調查，主要是因為它們如此的難以捉摸。然而，使研究人員能夠捕捉單個CTC的生物醫學技術進展，又重新激起了科學界對于CTC群的興趣，它們偶爾會與單個CTC一起被捕獲。
最近，美國麻省總醫院（MGH）和哈佛-麻省理工衛生科學技術部（Harvard-MIT Division of Health & Sciences Technology）的研究人員，在Mehmet Toner博士的帶領下，開發出一種新型微流控芯片，專門設計用來從未被加工的全血中高效捕獲CTC群。
NIBIB主任Roderic I. Pettigrew博士指出：“關于CTC群及其在癌癥轉移進程中的作用，我們知之甚少。這種獨特的技術提供了一個令人興奮的機會，以一種微創的方式捕捉這些罕見的細胞群，用于進一步分析。這項突破性的技術，可能對癌癥研究產生非常大的影響。”
這種新技術——被稱為集群芯片（Cluster-Chip），是在NIBIB量子基金的資助下開發出來的，該基金主要資助變革性技術創新，旨在解決具有重大疾病負擔的主要醫療資金問題，如防止癌癥轉移，或根據個體癌細胞生物學精確定制治療方案。
最近，Toner和他的合作者Daniel Haber博士，在60名患有轉移性乳腺癌、前列腺癌和黑色素瘤癌的患者中，使用Cluster-Chip來捕獲和分析CTC群。研究人員在在30%至40%的患者當中發現了CTC群——從2到19個細胞。
Toner說：“這些CTC群的存在，遠比我們過去想象的更為常見。我們在這許多患者中看到了這種細胞群，真是一個了不起的發現。”
對患者CTC群的進一步分析，對于“CTC集群生物學”提出了新的見解。研究人員將他們的結果發表在2015年五月十八日的《Nature Methods》。
該芯片被設計成慢慢推動血液通過多排顯微三角形柱子。這些柱子是以這樣的方式排列：每兩個柱子把細胞引流到第三根柱子的頂端。在頂端，單細胞——包括血細胞和單個CTC——很容易地滑到柱子的兩側，并繼續通過芯片，直到到達下一個頂端；然而，CTC群被遺留在頂端，由于將它們拉向柱子相反方向的力量，使得它們安危未定。
為了確定Cluster-Chip的效率，研究人員將熒光標記的細胞群（2到30個細胞）引入芯片，并計算捕獲的細胞群的數量，以及流經漏檢數。在2.5ml/hr的血流速率上，芯片捕獲了99%的細胞群，包含四個或更多的細胞，70%的無細胞群和41%的兩細胞群。在捕獲之前和之后，研究人員在顯微鏡下比較細胞集群發現，總的來說芯片對細胞群的完整性沒有負面影響。
研究人員接下來將這種新型芯片的效率，與目前使用的、成功捕獲CTC群的一些方法，進行了比較。他們發現，在類似的血流速度上，Cluster-Chip比基于濾波器的方法更有效，后者可推動血液通過一張膜，這張膜上有很多孔，大小只夠讓單個細胞通過。該芯片也比一種不同的微流控芯片更高效——Toner以前開發，可使用抗體（粘附在一些腫瘤細胞表面的特異蛋白），分離CTCs和偶爾分離CTC群。
這些結果突出了獨特Cluster-Chip捕獲技術的重要性，它是基于CTC群的結構性質而不是它們的大小或表面蛋白的存在。后者這種特性使得Cluster-Chip適合于捕獲多種類型癌癥的CTC群，包括那些在轉移過程中失去表面蛋白以及那些從未表達它們的癌癥，如惡性黑色素瘤。
研究人員繼續在一項小型試驗（60例轉移性癌癥患者）中測試了Cluster-Chip。在這項研究中，芯片在27名乳腺癌患者中的11人（百分之40.7）、20名黑色素瘤患者中的6人（百分之30）、13例前列腺癌患者中的4人（百分之31）當中，捕獲到了CTC群。在患者樣本中發現的大量細胞群表明，該細胞群可能在癌癥轉移階梯反應中，發揮更大的作用。而CTC群的意義尚未完全確立，Toner和Haber小組2014年在《Cell》發表的一項研究發現，在轉移性乳腺癌患者中CTC群的數量增加與生存率降低之間存在關聯，在前列腺癌患者中，細胞群的存在與生存率下降之間存在關聯。
為了表征CTC細胞群的生物學，研究人員在一名具有大量單CTC及CTC群的乳腺癌患者中，測量了腫瘤細胞增殖的一個標記——侵襲性增加和預后不良的一個指標。在患者細胞群中有約一半的細胞其增殖標記物呈現陽性，從而表明該細胞群可能包含積極增殖和休眠的細胞。
研究人員還指出，非腫瘤細胞罕見存在于不到5%的患者中。Pettigrew解釋說：“事實上，一些CTC群包含免疫細胞，是我們特別感興趣的。鑒于越來越多的癌癥治療作用于免疫系統，能夠通過血液監測腫瘤的免疫細胞相互作用，可能是很有價值的。”
Toner預計，對于激勵CTC細胞群生物學的新研究，Cluster-Chip將起著重要的作用：“就像喚一頭沉睡的熊。這將喚醒探索CTC細胞群的領域，并開發更好的技術，來理解它們在癌轉移中的生物學作用。”
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