作者:刘磊等 来源:《先进材料》 发布时间:2024/1/22 14:54:30
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一张膜快速诊断癌症的分子分型

 

循环肿瘤细胞是液体活检的重要临床标志物。有没有一双灵活的大手,可以收放自如,既能牢牢抓住循环肿瘤细胞,又可以将它按需释放?

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,可以分类捕获和选择分离循环肿瘤细胞,实现对癌症的分子分型诊断。相关研究成果在《先进材料》上在线发表。

值得注意的是,在有限的病人血样中,刘磊团队的试验数据和术后免疫组织化学染色结果高度一致,检查准确率达到100%。

刘磊团队在实验室中制备多功能仿生柔性膜。课题组供图

抓住它,早一步发出预警

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分。转移过程中,循环肿瘤细胞会从肿瘤组织上脱落进入血液中,如果能精准捕获到循环肿瘤细胞,就能比体检中常规的肿瘤标志物检测更早一步地发出预警信号,发出提醒人体组织可能有癌变的风险。

“循环肿瘤细胞非常稀少,仅仅占到正常血细胞的十亿分之一;它也非常狡猾,有着不同的表面标记物,这种表型异质性意味着它会‘变装’,一会穿上马甲、一会带上围巾,很难识别。”刘磊告诉《中国科学报》,在临床检测中,由于循环肿瘤细胞稀有性和表面异质性的特性,使得癌症精准检测面临极大挑战。

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,国际市场上已有纳米磁珠技术,利用磁场回收的方式抓取循环肿瘤细胞。但是,这一技术有个严重的缺陷,循环肿瘤细胞被无数个纳米磁珠抓到后,细胞会吞噬磁珠,很难得到活的肿瘤细胞,更无法进一步分析里面携带着的宝贵的生物学信息。

他计划设计个智能生物界面,明显区别于磁珠,将功能性的东西修饰到界面上,“界面就像个灵敏的侦探,能够准确识别循环肿瘤细胞,伸出大手紧紧地抓住他们,同时又能够按需释放,将循环肿瘤细胞从界面上脱落下来,为下游分析提供基础”。

结构设计,受牙釉质启发

刘磊团队围绕智能生物界面材料方向开展研究已有十年时间,近年来,从智能生物分子响应性体系的开发到功能性生物界面的构建,创建了具有动态生物活性的智能生物界面材料体系,用于循环肿瘤细胞的特异性捕获与分离。

“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联想到在前期研究中,团队曾做过一种多功能膜,用于修复口腔中的牙釉质。受仿生牙釉质结构的启发,他们在实验室中制作界面,一层无机物一层蚕丝蛋白,层层叠加变成一张膜。

这种柔性膜结构牢固,集化学(分子识别)、物理(微/纳米拓扑结构)与机械(柔性)作用为一体,此外还性能稳定、延展性好,拉伸应变可以接近80%、拉伸强度可以达到十几个兆帕。

实验显示,在靶向肽和牛血清白蛋白的联合作用下,柔性膜大大增强了捕获异质循环肿瘤细胞的能力,并可通过先后添加果糖和谷胱甘肽程序化释放细胞。与硬基质材料相比,柔性膜表现出增强的细胞增殖和捕获能力,多靶点的界面与单一靶点的界面设计相比,对溶液中异质性肿瘤细胞捕获能力提高一倍以上。

“简单地说,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,又通过糖、酶、多肽等刺激剪断这种联系,把循环肿瘤细胞释放出来。”白蒙起说。

临床应用,有限样本准确率为100%

人上皮生长因子受体2(HER2)是迄今为止被研究的比较透彻的乳腺癌基因之一。团队通过PDA(聚多巴胺)化学和多重可逆共价相互作用,将靶向肿瘤细胞表面生物标志物“上皮生物标志物”和“人上皮生长因子受体2(HER2)”的特异性多肽固定在膜表面,以简单环保的方法制备了具有多重动态生物活性表面的TiO2纳米管/丝素蛋白柔性膜。该柔性膜可以被任意裁剪定制成所需的片段进行应用。

这项研究工作也得到了江苏省人民医院、镇江市第一人民医院的支持。在与医院的临床应用中,TiO2纳米管/丝素蛋白柔性膜可以从未经处理的乳腺癌患者血液样本中,捕获具有不同表型(HER2+和HER2-)的循环肿瘤细胞,以区别HER2高表达或低表达,辅助诊断患者为HER2阳性或阴性,为医生提供重要术后监测信息。

并且,在有限的病人血样中,通过双盲实验,依靠团队的实验数据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,检测准确率为100%。江苏省人民医院徐建教授评价,“这为今后癌症患者的预后和癌症患者的分子分型诊断提供了依据”。

目前,在刘磊的实验室中,通过TiO2纳米管/丝素蛋白柔性膜,一滴血的用量、半天时间,即可给出乳腺癌患者血样的检测结果,并给出是否为HER2阳性的分子分型诊断。刘磊也表示,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的乳腺癌病理分型的全面快速检测。

“不仅仅在检测方面抓放循环肿瘤细胞,同时可以用特异性的形式把药物修饰到界面上,在病理微环境的刺激下,定点释放药物,达到治疗的效果。”刘磊期望,通过和临床的进一步结合,这种多功能仿生柔性膜可以进一步优化和拓展实用性,为患者提供无损伤、快速便捷的治疗方案。(来源:中国科学报 温才妃 吴奕)

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.202309046

柔性复合膜捕获异质性循环肿瘤细胞的作用机理。课题组供图

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多功能仿生柔性膜实物图和用其捕获癌症病人血液样本中循环肿瘤细胞的操作过程的图示,以及相关结果。课题组供图

 
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