循環腫瘤細胞（CTC）是液體活檢的重要臨床標志物，可用于早期癌癥診斷。但它在人體內的數量非常稀少，僅占正常血細胞數量的十億分之一。想要找到它，可謂大海撈針。
近年來，中外科學家都在想辦法從血液中準確找到循環腫瘤細胞。日前，江蘇大學材料科學與工程學院、新材料研究院研究員劉磊團隊研制出一款多功能仿生柔性膜。這種膜不僅擁有“火眼金睛”和“智慧大腦”，可以準確“生擒”循環腫瘤細胞，還具有媲美人體環境的仿生機制，能將循環腫瘤細胞毫發無損地帶回，并在實驗室“釋放”出來用作進一步檢測。在目前已開展的乳腺癌患者的血樣檢測中，該膜的檢測數據和術后免疫組織化學染色結果高度一致，準確率達到100%。同時，它可以分類捕獲和選擇性分離循環腫瘤細胞，實現對癌癥的分子分型診斷。相關研究成果在線發表于國際期刊《先進材料》。
捕獲“掉隊”的腫瘤細胞
眾所周知，癌細胞是一種變異細胞，有著容易轉移和擴散的特性，會經由體內循環系統或淋巴系統轉移到身體其他部位。在轉移過程中，循環腫瘤細胞會從腫瘤組織上脫落進入血液。如果能精準捕獲到循環腫瘤細胞，就可比體檢中常規的腫瘤標志物檢測更早一步獲得預警信號，知曉人體組織可能存在癌變風險。
“但循環腫瘤細胞不僅數量少，而且非常‘狡猾’。它具有不同的表面標記物，會‘變裝’，一會兒穿上‘馬甲’，一會兒披上‘外套’，很難識別。”劉磊介紹，由于循環腫瘤細胞具有稀有性和表面異質性的特點，使得循環腫瘤細胞檢測面臨極大挑戰。
抓住“狡猾”的循環腫瘤細胞，是檢驗和鑒別腫瘤的第一步。目前，國際上已有納米磁珠技術，即利用磁場回收的方式抓取循環腫瘤細胞。但這項技術有一個嚴重缺陷：無數個磁珠組成的“網”捕獲循環腫瘤細胞后，細胞會“誤食”直徑僅有百納米的磁珠，導致循環腫瘤細胞死亡。這樣一來，醫生就無法進一步分析細胞中攜帶著的寶貴生物學信息。
2018年，劉磊將研究目光聚焦到循環腫瘤細胞的抓取上。他計劃設計一個智能生物材料界面，集成靶向識別功能。“這種材料界面就像個高明的偵探，能夠準確識別循環腫瘤細胞，伸出‘大手’緊緊地抓住它們。同時又能夠按需釋放，使循環腫瘤細胞從界面上脫落下來，為下游分析提供基礎。”劉磊說。
制出既堅固又柔軟的仿生膜
為了實現循環腫瘤細胞的捕獲與分離，劉磊團隊創建了具有動態生物活性的智能生物界面材料體系。“最開始，我們嘗試的是類似于玻璃片的石英片界面。但是石英片又大又脆，無法裁剪，使用極不方便。”論文第一作者、江蘇大學博士生白蒙起告訴記者，團隊曾制備出一種多功能膜，用于修復牙釉質。受仿生牙釉質結構的啟發，他們將一層二氧化鈦納米管和一層蠶絲蛋白疊加融合，制成了一張柔性膜。
這種柔性膜結構牢固、性能穩定、延展性好，拉伸應變可接近80%，拉伸強度可達到十幾個兆帕。因此，該柔性膜可以被任意裁剪，制成需要的片段進行應用。與單一的硬基質材料相比，在這種柔性膜上可以添加各種功能蛋白，從而為提高捕獲能力打下基礎。同時，它還可以模擬人體的生理機制，創造出適合循環腫瘤細胞生存的微環境。
在實驗中，科研人員在柔性膜上添加了靶向肽和牛血清白蛋白。前者可以準確捕獲并識別循環腫瘤細胞，后者則具有良好的抗污能力，可確保靶向肽正常工作。為了提升柔性膜的捕獲能力，團隊設計了多靶點的界面。與單一靶點界面相比，多靶點界面對溶液中循環腫瘤細胞的捕獲能力提高了1倍以上。
“簡單來說，這種膜就是靠分子間作用力，把循環腫瘤細胞牢牢抓在界面上。后期需要釋放的時候，通過糖、多肽等刺激剪斷這種分子間作用力，把循環腫瘤細胞釋放出來。”白蒙起說。
智能高效識別癌癥病理分型
團隊在成功研發了多功能仿生柔性膜后，首先在乳腺癌領域開展了檢測實驗。乳腺癌是全球女性第一高發腫瘤。人上皮生長因子受體2（HER2）是迄今為止被研究得比較透徹的乳腺癌基因之一。區分乳腺癌患者HER2高表達或低表達，可以幫助醫生診斷患者是HER2陽性還是陰性。臨床中，有50%的HER2陽性患者極易發生腦轉移。因此，捕獲具有不同表型的循環腫瘤細胞，可為醫生提供重要的術后治療依據。
為此，劉磊團隊將靶向上皮生物標志物和HER2蛋白這兩種腫瘤細胞表面生物標志物的特異性多肽固定在膜表面，制備出具有多重動態生物活性表面的二氧化鈦納米管/絲素蛋白柔性膜。劉磊告訴記者，他們已與江蘇省人民醫院、鎮江市第一人民醫院開展合作，利用該膜對乳腺癌患者的血液樣本進行檢測。截至目前，他們已對10例病人的血樣進行了檢測，同時采集3例健康人的血樣開展雙盲實驗。實驗結果顯示，多功能仿生柔性膜做出的診斷，與依靠病人組織切片的免疫組織化學染色數據做出的診斷結果高度一致，檢測準確率達100%。江蘇省人民醫院教授徐建認為，這將為今后癌癥患者的預后和癌癥分子分型診斷提供依據。
在實驗室內，劉磊向記者展示了這種多功能仿生柔性膜如何進行檢測操作。科研人員首先將1毫升血液樣本進行稀釋，得到4毫升稀釋血液并分成4份；再把膜剪切成0.5厘米見方的大小，分別投入4份稀釋血液中；2小時后將膜取出，在熒光顯微鏡下，就可以直觀地看到膜上是否有循環腫瘤細胞。
為了進一步分辨捕獲的細胞是否為循環腫瘤細胞和HER2高表達腫瘤細胞，科研人員用三色免疫法給細胞染色。利用特異性探針，就可以區分循環腫瘤細胞和白細胞，以及區分HER2高表達和低表達的腫瘤細胞，進而判斷患者是否為HER2陽性。
劉磊介紹，目前他們還在與相關醫院持續開展檢測實驗。隨著實驗樣本的增加，團隊將在同樣界面上實現對不同類型乳腺癌病理分型的全面快速檢測和判斷。
“這種膜不僅可以檢測腫瘤，還可以用于外傷給藥。通過特異性形式把藥物添加到界面上，在病理微環境的刺激下，就能實現定點釋放藥物，達到治療效果。”劉磊說，通過和臨床的進一步結合，這種多功能仿生柔性膜還可以繼續優化并拓展實用性，為患者提供無損傷、快速便捷的診療方案。
循環腫瘤細胞（CTC）是液體活檢的重要臨床標志物，可用于早期癌癥診斷。但它在人體內的數量非常稀少，僅占正常血細胞數量的十億分之一。想要找到它，可謂大海撈針。
近年來，中外科學家都在想辦法從血液中準確找到循環腫瘤細胞。日前，江蘇大學材料科學與工程學院、新材料研究院研究員劉磊團隊研制出一款多功能仿生柔性膜。這種膜不僅擁有“火眼金睛”和“智慧大腦”，可以準確“生擒”循環腫瘤細胞，還具有媲美人體環境的仿生機制，能將循環腫瘤細胞毫發無損地帶回，并在實驗室“釋放”出來用作進一步檢測。在目前已開展的乳腺癌患者的血樣檢測中，該膜的檢測數據和術后免疫組織化學染色結果高度一致，準確率達到100%。同時，它可以分類捕獲和選擇性分離循環腫瘤細胞，實現對癌癥的分子分型診斷。相關研究成果在線發表于國際期刊《先進材料》。
捕獲“掉隊”的腫瘤細胞
眾所周知，癌細胞是一種變異細胞，有著容易轉移和擴散的特性，會經由體內循環系統或淋巴系統轉移到身體其他部位。在轉移過程中，循環腫瘤細胞會從腫瘤組織上脫落進入血液。如果能精準捕獲到循環腫瘤細胞，就可比體檢中常規的腫瘤標志物檢測更早一步獲得預警信號，知曉人體組織可能存在癌變風險。
“但循環腫瘤細胞不僅數量少，而且非常‘狡猾’。它具有不同的表面標記物，會‘變裝’，一會兒穿上‘馬甲’，一會兒披上‘外套’，很難識別。”劉磊介紹，由于循環腫瘤細胞具有稀有性和表面異質性的特點，使得循環腫瘤細胞檢測面臨極大挑戰。
抓住“狡猾”的循環腫瘤細胞，是檢驗和鑒別腫瘤的第一步。目前，國際上已有納米磁珠技術，即利用磁場回收的方式抓取循環腫瘤細胞。但這項技術有一個嚴重缺陷：無數個磁珠組成的“網”捕獲循環腫瘤細胞后，細胞會“誤食”直徑僅有百納米的磁珠，導致循環腫瘤細胞死亡。這樣一來，醫生就無法進一步分析細胞中攜帶著的寶貴生物學信息。
2018年，劉磊將研究目光聚焦到循環腫瘤細胞的抓取上。他計劃設計一個智能生物材料界面，集成靶向識別功能。“這種材料界面就像個高明的偵探，能夠準確識別循環腫瘤細胞，伸出‘大手’緊緊地抓住它們。同時又能夠按需釋放，使循環腫瘤細胞從界面上脫落下來，為下游分析提供基礎。”劉磊說。
制出既堅固又柔軟的仿生膜
為了實現循環腫瘤細胞的捕獲與分離，劉磊團隊創建了具有動態生物活性的智能生物界面材料體系。“最開始，我們嘗試的是類似于玻璃片的石英片界面。但是石英片又大又脆，無法裁剪，使用極不方便。”論文第一作者、江蘇大學博士生白蒙起告訴記者，團隊曾制備出一種多功能膜，用于修復牙釉質。受仿生牙釉質結構的啟發，他們將一層二氧化鈦納米管和一層蠶絲蛋白疊加融合，制成了一張柔性膜。
這種柔性膜結構牢固、性能穩定、延展性好，拉伸應變可接近80%，拉伸強度可達到十幾個兆帕。因此，該柔性膜可以被任意裁剪，制成需要的片段進行應用。與單一的硬基質材料相比，在這種柔性膜上可以添加各種功能蛋白，從而為提高捕獲能力打下基礎。同時，它還可以模擬人體的生理機制，創造出適合循環腫瘤細胞生存的微環境。
在實驗中，科研人員在柔性膜上添加了靶向肽和牛血清白蛋白。前者可以準確捕獲并識別循環腫瘤細胞，后者則具有良好的抗污能力，可確保靶向肽正常工作。為了提升柔性膜的捕獲能力，團隊設計了多靶點的界面。與單一靶點界面相比，多靶點界面對溶液中循環腫瘤細胞的捕獲能力提高了1倍以上。
“簡單來說，這種膜就是靠分子間作用力，把循環腫瘤細胞牢牢抓在界面上。后期需要釋放的時候，通過糖、多肽等刺激剪斷這種分子間作用力，把循環腫瘤細胞釋放出來。”白蒙起說。
智能高效識別癌癥病理分型
團隊在成功研發了多功能仿生柔性膜后，首先在乳腺癌領域開展了檢測實驗。乳腺癌是全球女性第一高發腫瘤。人上皮生長因子受體2（HER2）是迄今為止被研究得比較透徹的乳腺癌基因之一。區分乳腺癌患者HER2高表達或低表達，可以幫助醫生診斷患者是HER2陽性還是陰性。臨床中，有50%的HER2陽性患者極易發生腦轉移。因此，捕獲具有不同表型的循環腫瘤細胞，可為醫生提供重要的術后治療依據。
為此，劉磊團隊將靶向上皮生物標志物和HER2蛋白這兩種腫瘤細胞表面生物標志物的特異性多肽固定在膜表面，制備出具有多重動態生物活性表面的二氧化鈦納米管/絲素蛋白柔性膜。劉磊告訴記者，他們已與江蘇省人民醫院、鎮江市第一人民醫院開展合作，利用該膜對乳腺癌患者的血液樣本進行檢測。截至目前，他們已對10例病人的血樣進行了檢測，同時采集3例健康人的血樣開展雙盲實驗。實驗結果顯示，多功能仿生柔性膜做出的診斷，與依靠病人組織切片的免疫組織化學染色數據做出的診斷結果高度一致，檢測準確率達100%。江蘇省人民醫院教授徐建認為，這將為今后癌癥患者的預后和癌癥分子分型診斷提供依據。
在實驗室內，劉磊向記者展示了這種多功能仿生柔性膜如何進行檢測操作。科研人員首先將1毫升血液樣本進行稀釋，得到4毫升稀釋血液并分成4份；再把膜剪切成0.5厘米見方的大小，分別投入4份稀釋血液中；2小時后將膜取出，在熒光顯微鏡下，就可以直觀地看到膜上是否有循環腫瘤細胞。
為了進一步分辨捕獲的細胞是否為循環腫瘤細胞和HER2高表達腫瘤細胞，科研人員用三色免疫法給細胞染色。利用特異性探針，就可以區分循環腫瘤細胞和白細胞，以及區分HER2高表達和低表達的腫瘤細胞，進而判斷患者是否為HER2陽性。
劉磊介紹，目前他們還在與相關醫院持續開展檢測實驗。隨著實驗樣本的增加，團隊將在同樣界面上實現對不同類型乳腺癌病理分型的全面快速檢測和判斷。
“這種膜不僅可以檢測腫瘤，還可以用于外傷給藥。通過特異性形式把藥物添加到界面上，在病理微環境的刺激下，就能實現定點釋放藥物，達到治療效果。”劉磊說，通過和臨床的進一步結合，這種多功能仿生柔性膜還可以繼續優化并拓展實用性，為患者提供無損傷、快速便捷的診療方案。
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