马萨诸塞州伍斯特市 - 2019年7月31日 - 伍斯特理工学院(WPI)的研究人员开发出一种碳纳米管芯片，可以捕获各种尺寸和类型的循环肿瘤细胞(CTC)，并且可以获得比现有技术。该设备的独特设计使得可以轻松识别甚至培养捕获的细胞，从而可以检测早期肿瘤，预测癌症病程，并监测治疗效果。

有关这项新技术的详细信息，请参见由WPI的研究人员组成的团队实验室芯片实验室(使用纳米管-CTC芯片的液体活检：利用乳腺癌患者的优先依从性捕获高纯度的侵袭性CTC)。马萨诸塞大学医学院神经外科和路易斯维尔大学医学院詹姆斯格雷厄姆布朗癌症中心。WPI机械工程教授Balaji Panchapakesan是项目负责人。

高癌症死亡率主要归因于肿瘤在达到晚期或不能手术阶段之前未被发现，并且转移(当肿瘤细胞穿过血流并在其他器官中引发新肿瘤时)。长期以来，科学家一直在寻找一种能够在肿瘤细胞穿过血液时可靠地捕获肿瘤细胞的方法。这种技术可以在非常早期阶段检测癌症，当治疗更有可能成功时，并发现肿瘤细胞在癌症开始转移时所经历的遗传变化。

“分离高纯度的CTC是一项重大挑战，类似于在大海捞针中找到针头，”Panchapakesan说。“这些细胞在十亿个血细胞中仅包含一到十个细胞，而肿瘤中CTC的脱落是一个高度不连续的过程。”

Panchapakesan说，许多研究实验室和公司已经创建了所谓的液体活检装置，但目前可用的装置具有重要的局限性。这些包括低灵敏度;无法捕获各种大小和类型的CTC，或捕获CTC簇以及单个细胞;难以从设备中检索捕获的细胞用于实验室分析;制造成本高。另外，对于许多液体活检装置来说，白细胞对捕获的CTC的污染是一个问题，白细胞的大小与CTC相似并且可能被误认为是CTC。

由Panchapakesan团队开发的设备，在实验室芯片纸上描述，没有这些限制。该装置的核心部件是一层碳纳米管，其排列在硅/玻璃晶片中形成的小井的底部。Panchapakesan表示，芯片设计充分利用了CTC附着的自然趋势。“为了前往身体的远处并开始新的肿瘤，”他说，“CTC需要能够在不利于附着的环境中附着。在之前的研究中，我们已经证明他们会附着优先考虑碳纳米管，但白色血细胞基本上不会。“

此外，最近的研究表明，CTC比以前认为的更脆弱，并且受到血流中固有的环境和机械应力的影响。“除非你给它们一个类似岩石的基质，否则这些细胞将无法生存 - 一个较软的基质需要从细胞中获取过多的能量，”Panchapakesan说。

“这是机械工程和生物学交叉的医学问题，”他说。“了解癌细胞的生物学以及CTC的行为如何使我们能够设计出基于机械工程的设备。”

白细胞不粘附于纳米管的事实使得可以将它们从芯片中移除，使得CTC落后以进行计数和鉴定。红细胞数量远远超过循环肿瘤细胞，也是一个问题。由于它们倾向于沉淀到芯片的底部，因此它们可以防止CTC粘附到纳米管上。研究小组通过在将血液样本添加到芯片之前裂解或分解红细胞来解决这个问题。他们发现裂解过程对CTC没有影响。

使用标记有荧光染料的已知数量的癌细胞的血液测试芯片显示其具有高灵敏度，测试样品中89%至100%的细胞被捕获。(芯片的灵敏度越高，血液与纳米管保持接触的时间越长。)测试也来自实际乳腺癌患者的血液样本(1-4期)，检测CTC的灵敏度为100%。从所有7个患者样品中捕获CTC，而从两个健康患者的样品中没有捕获肿瘤细胞。

更重要的是，该芯片捕获了来自早期和晚期癌症患者的多种表型的个体CTC，这是该装置的另一个潜在优势。虽然用于捕获其他装置中的细胞的其他方法表现出阻碍它们捕获全范围癌细胞表型的偏差，但WPI碳纳米管芯片似乎具有这样做的潜力。

“这些最初的临床研究，”Panchapakesan说，“我们能够捕获和鉴定不同表型的个体CTC，表明该装置可能成为一个重要的工具，不仅可以跟踪癌症的进展及其对放射或化疗的反应，也可以预测癌症的可能病程，这可以帮助医生识别最有效的治疗过程。“

测试还表明，碳纳米管芯片可以捕获细胞，无论其大小如何，并且除了单个细胞外还可以捕获CTC簇。(CTC簇是罕见的，但它们似乎比单个CTC具有更大的种植新肿瘤的能力。)因为细胞轻轻地沉积在纳米管上并且与从细胞体延伸的卷须锁定，它们不会被损坏。