仅靠一张膜就能实现癌症分子分型诊断

本文转自：科技日报

研究人员向记者展示多功能仿生柔性膜。江苏大学宣传部供图

◎本报记者 张 晔 通讯员 吴 奕

循环肿瘤细胞（CTC）是液体活检的重要临床标志物，可用于早期癌症诊断。但它在人体内的数量非常稀少，仅占正常血细胞数量的十亿分之一。想要找到它，可谓大海捞针。

近年来，中外科学家都在想办法从血液中准确找到循环肿瘤细胞。日前，江苏大学材料科学与工程学院、新材料研究院研究员刘磊团队研制出一款多功能仿生柔性膜。这种膜不仅拥有“火眼金睛”和“智慧大脑”，可以准确“生擒”循环肿瘤细胞，还具有媲美人体环境的仿生机制，能将循环肿瘤细胞毫发无损地带回，并在实验室“释放”出来用作进一步检测。在目前已开展的乳腺癌患者的血样检测中，该膜的检测数据和术后免疫组织化学染色结果高度一致，准确率达到100%。同时，它可以分类捕获和选择性分离循环肿瘤细胞，实现对癌症的分子分型诊断。相关研究成果在线发表于国际期刊《先进材料》。

捕获“掉队”的肿瘤细胞

众所周知，癌细胞是一种变异细胞，有着容易转移和扩散的特性，会经由体内循环系统或淋巴系统转移到身体其他部位。在转移过程中，循环肿瘤细胞会从肿瘤组织上脱落进入血液。如果能精准捕获到循环肿瘤细胞，就可比体检中常规的肿瘤标志物检测更早一步获得预警信号，知晓人体组织可能存在癌变风险。

“但循环肿瘤细胞不仅数量少，而且非常‘狡猾’。它具有不同的表面标记物，会‘变装’，一会儿穿上‘马甲’，一会儿披上‘外套’，很难识别。”刘磊介绍，由于循环肿瘤细胞具有稀有性和表面异质性的特点，使得循环肿瘤细胞检测面临极大挑战。

抓住“狡猾”的循环肿瘤细胞，是检验和鉴别肿瘤的第一步。目前，国际上已有纳米磁珠技术，即利用磁场回收的方式抓取循环肿瘤细胞。但这项技术有一个严重缺陷：无数个磁珠组成的“网”捕获循环肿瘤细胞后，细胞会“误食”直径仅有百纳米的磁珠，导致循环肿瘤细胞死亡。这样一来，医生就无法进一步分析细胞中携带着的宝贵生物学信息。

2018年，刘磊将研究目光聚焦到循环肿瘤细胞的抓取上。他计划设计一个智能生物材料界面，集成靶向识别功能。“这种材料界面就像个高明的侦探，能够准确识别循环肿瘤细胞，伸出‘大手’紧紧地抓住它们。同时又能够按需释放，使循环肿瘤细胞从界面上脱落下来，为下游分析提供基础。”刘磊说。

制出既坚固又柔软的仿生膜

为了实现循环肿瘤细胞的捕获与分离，刘磊团队创建了具有动态生物活性的智能生物界面材料体系。“最开始，我们尝试的是类似于玻璃片的石英片界面。但是石英片又大又脆，无法裁剪，使用极不方便。”论文第一作者、江苏大学博士生白蒙起告诉记者，团队曾制备出一种多功能膜，用于修复牙釉质。受仿生牙釉质结构的启发，他们将一层二氧化钛纳米管和一层蚕丝蛋白叠加融合，制成了一张柔性膜。

这种柔性膜结构牢固、性能稳定、延展性好，拉伸应变可接近80%，拉伸强度可达到十几个兆帕。因此，该柔性膜可以被任意裁剪，制成需要的片段进行应用。与单一的硬基质材料相比，在这种柔性膜上可以添加各种功能蛋白，从而为提高捕获能力打下基础。同时，它还可以模拟人体的生理机制，创造出适合循环肿瘤细胞生存的微环境。

在实验中，科研人员在柔性膜上添加了靶向肽和牛血清白蛋白。前者可以准确捕获并识别循环肿瘤细胞，后者则具有良好的抗污能力，可确保靶向肽正常工作。为了提升柔性膜的捕获能力，团队设计了多靶点的界面。与单一靶点界面相比，多靶点界面对溶液中循环肿瘤细胞的捕获能力提高了1倍以上。

“简单来说，这种膜就是靠分子间作用力，把循环肿瘤细胞牢牢抓在界面上。后期需要释放的时候，通过糖、多肽等刺激剪断这种分子间作用力，把循环肿瘤细胞释放出来。”白蒙起说。

智能高效识别癌症病理分型

团队在成功研发了多功能仿生柔性膜后，首先在乳腺癌领域开展了检测实验。乳腺癌是全球女性第一高发肿瘤。人上皮生长因子受体2（HER2）是迄今为止被研究得比较透彻的乳腺癌基因之一。区分乳腺癌患者HER2高表达或低表达，可以帮助医生诊断患者是HER2阳性还是阴性。临床中，有50%的HER2阳性患者极易发生脑转移。因此，捕获具有不同表型的循环肿瘤细胞，可为医生提供重要的术后治疗依据。

为此，刘磊团队将靶向上皮生物标志物和HER2蛋白这两种肿瘤细胞表面生物标志物的特异性多肽固定在膜表面，制备出具有多重动态生物活性表面的二氧化钛纳米管/丝素蛋白柔性膜。刘磊告诉记者，他们已与江苏省人民医院、镇江市第一人民医院开展合作，利用该膜对乳腺癌患者的血液样本进行检测。截至目前，他们已对10例病人的血样进行了检测，同时采集3例健康人的血样开展双盲实验。实验结果显示，多功能仿生柔性膜做出的诊断，与依靠病人组织切片的免疫组织化学染色数据做出的诊断结果高度一致，检测准确率达100%。江苏省人民医院教授徐建认为，这将为今后癌症患者的预后和癌症分子分型诊断提供依据。

在实验室内，刘磊向记者展示了这种多功能仿生柔性膜如何进行检测操作。科研人员首先将1毫升血液样本进行稀释，得到4毫升稀释血液并分成4份；再把膜剪切成0.5厘米见方的大小，分别投入4份稀释血液中；2小时后将膜取出，在荧光显微镜下，就可以直观地看到膜上是否有循环肿瘤细胞。

为了进一步分辨捕获的细胞是否为循环肿瘤细胞和HER2高表达肿瘤细胞，科研人员用三色免疫法给细胞染色。利用特异性探针，就可以区分循环肿瘤细胞和白细胞，以及区分HER2高表达和低表达的肿瘤细胞，进而判断患者是否为HER2阳性。

刘磊介绍，目前他们还在与相关医院持续开展检测实验。随着实验样本的增加，团队将在同样界面上实现对不同类型乳腺癌病理分型的全面快速检测和判断。

“这种膜不仅可以检测肿瘤，还可以用于外伤给药。通过特异性形式把药物添加到界面上，在病理微环境的刺激下，就能实现定点释放药物，达到治疗效果。”刘磊说，通过和临床的进一步结合，这种多功能仿生柔性膜还可以继续优化并拓展实用性，为患者提供无损伤、快速便捷的诊疗方案。