中国科学家开发新型循环肿瘤细胞检测技术，实现精准无损分离及下游药物敏感性测试

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中国科学家开发新型循环肿瘤细胞检测技术，实现精准无损分离及下游药物敏感性测试

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https://view.inews.qq.com/a/20250305A006P400

循环肿瘤细胞（CTC）是癌症转移的直接标志，对其检测具有多重重要临床意义。虽已报道了一系列基于天然靶标的CTC检测方法，但特定靶标对高度异质CTC覆盖有限，常导致假阴性漏检、假阳性干扰，限制了相关研究的深入开展。本团队从肿瘤细胞普遍代谢异常旺盛的特点出发，发展了建立“糖代谢广谱标记-生物正交反应高效捕获-二硫键还原无损释放”过程、适用≥10种不同癌症的异质CTC无损检测策略，并进一步进行下游应用场景拓展，提出和建立了基于痕量CTC的实时药敏测试策略。

图1 “标记-捕获-释放”三步法检测CTC及下游药敏性测试

CTC是脱离肿瘤病灶、进入并存活于循环系统的肿瘤细胞，其出现是肿瘤扩散、转移的早期标志性事件。因此，CTC检测具有发现肿瘤转移、预后评估等多重临床意义。现有CTC检测主要基于天然生理生化靶标，存在对异质CTC覆盖不够、检测结果干扰严重、下游应用受限等不足。本文从肿瘤细胞普遍存在异常糖代谢出发，探索利用代谢糖标记(Metabolic glyco-labeling)在细胞表面构建均质靶标(neo-marker)来高度覆盖异质CTC，并针对该靶标开发基于生物正交反应和可逆反应的捕获和释放策略，在≥10种不同癌症中实现精准、无损分离异质CTC，并拓展建立基于痕量CTC的下游实时药敏测试策略。

图2 MGE标记过程及条件优化

首先，研究团队建立了一种利用代谢糖标记区分肿瘤细胞和正常血细胞的方法，使用不同表型的肿瘤细胞来模拟异质CTC，并利用4AcManNAZ在异质肿瘤细胞表面引入叠氮基团-N3作为neo-marker以区分正常血细胞（图2A）。通过对细胞毒性、标记时间、浓度等标记条件进行系统探索和优化，实现异质肿瘤细胞标记水平比正常血细胞高出近40倍的特异性标记区分（图2B~D）。这一成果为后续CTC选择性捕获提供了基础。

图3 生物正交检测器的设计、制备和表征

随后，研究团队基于CTC表面引入的叠氮基团，设计制备了“DBCO生物正交捕获-二硫键还原释放”的双功能检测器件。按照功能累加原则依次构建仅含捕获基团DBCO的CF-DBCO、在CF-DBCO上引入抗非特异性吸附纳米颗粒的CF-NP-DBCO和进一步引入释放基团二硫键的CF-NP-SS-DBCO功能表面（图3A），并对这些功能表面进行XPS、EDS和SEM等表征（图3B~D）。

图4 使用检测器对差异性标记的肿瘤细胞进行捕获和释放

研究团队进一步对检测器的捕获时间、捕获率、释放时间、释放率、释放活性等性能进行优化和验证（图4A）。结果显示，CF-NP-SS-DBCO可以无损地选择性捕获/释放被标记肿瘤细胞，并明显抑制过程中非特异性吸附，且可以释放具有完整细胞活性的细胞（图4B~H）；进一步将检测器应用于人工CTC样本（肿瘤细胞分散于健康人血液获得）的检测，获得同样优异结果（图4I）。由此初步建立“标记-捕获-释放”检测策略，为检测临床样本提供了基础。

图5 临床样本标记广谱性探究

研究团队进一步开展了临床血样检测研究。首先对代谢糖标记覆盖临床CTC进行探索。对利用ISET（细胞尺寸过滤系统）获得的临床CTC进行标记，并通过CD45和panCK/EpCAM-CKs等生化鉴定进行交叉验证（图5A），结果显示接近99%（85/86）的临床CTC能被代谢糖标记覆盖，进一步体现出标记方法的广谱性（图5B~C）。

图6 临床CTC无损广谱检测

研究团队进一步对临床癌症患者血样进行检测，并对循环肿瘤细胞（CTC）的亚型进行了鉴定。其检测涵盖包括10种不同癌症，共24例临床患者血样和4例健康血样对照（图6A~B）。结果显示，所有健康血样均未检出CTC，所有癌症患者样本均成功检出CTC，且上皮型、间质型和混合型的异质CTC均被检测出(图6C)，体现出该策略的精准性和广谱性优势；与现有技术“头对头”的比较结果同样显示出本策略的明显优势（尚无漏检，CTC检出数量更多，图6D）；大部分释放的CTC仍具有完整的细胞活性（图6E），显示出本策略的无损性优势。

图7 药敏性测试方法和初步可靠性验证

最后，研究团队进一步开展了下游应用场景的拓展，建立基于痕量CTC的实时药敏测试方法，为精准指导癌症患者用药提供新思路。团队先建立了一种代谢糖标记测定痕量CTC细胞活性方法（图7A~B），随后，将该方法应用于多种药物对痕量CTC活性影响的定量评估（图7C）；进一步利用普通株和耐药株肿瘤细胞制备的人工CTC样本进行测试，结果支持CTC标记和药敏性之间有较强的相关性（图7F），而随机临床样本和接受过特定化疗方案样本的药敏结果则进一步显示该测试结果与临床效果有较好的相关性（图7G）。

总结与展望

尽管 CTC 检测技术已经发展了几十年，但仍然存在明显的瓶颈。除了在天然生理生化靶标之外，研究团队另辟蹊径，从肿瘤细胞普遍糖代谢异常旺盛的特点出发，开发出“糖代谢广谱标记-生物正交反应高效捕获-可逆反应无损释放”的异质CTC检测策略。这一策略成功应用于≥10种不同癌症检测和下游应用场景探索，建立基于痕量CTC的实时药敏测试方法，为CTC检测和下游应用提供了一种全新思路。不过，除了这些成果之外，仍需进行更大规模的临床研究来进一步验证和优化该检测策略，同时，基于此进行更多可靠的下游应用场景拓展也将成为可能。

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第5期以Report发表的“A phenotype-independent 'label-capture-release' process for isolating viable circulating tumor cells in real-time drug susceptibility testing” (投稿: 2024-11-05；接收: 2025-01-10；在线刊出: 2025-01-16)。

DOI:10.1016/j.xinn.2025.100805

引用格式：Lao Z., Ren X., Zhuang D., et al. (2025). A phenotype-independent “label-capture-release” process for isolating viable circulating tumor cells in real-time drug susceptibility testing.The Innovation 6:100805.

作者简介

王怀雨，中国科学院深圳先进技术研究院研究员/博导，国家级青年人才/中国科学院青年创新促进会优秀会员，连续两年入选“全球前2%顶尖科学家榜单”，Plasma Based Ion Implantation & Deposition International Committee Member，Smart Materials in Medicine杂志副主编，中国生物材料学会理事/康复器械与生物材料分会副主任委员/青年委员会委员。先后承担国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、中国科学院STS区域重点、深港创新圈联合资助等项目。共发表SCI论文120余篇，引用11900余次；一作/通讯作者论文60余篇，其中逾30余篇发表在Nature Communications、The Innovation、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Today、Advanced Science、Biomaterials、Bioactive Materials等权威刊物。

李伟，中国科学院深圳先进技术研究院高级工程师/硕导，北京大学化学生物学博士，深圳市青年人才，主持/参与国家自然科学基金青年基金、面上项目、科技部重点研发计划青年科学家项目、广东省科技厅面上项目、深圳市科创委基础研究重点项目、深圳市科创委技术攻关重点项目、深圳市抗疫专项等多项纵向科研项目，发表SCI论文10篇，申请中国发明专利17项，PCT专利10项，授权发明专利3项。