癌症精准医疗的瞄准镜和雷达之“液体活检”——微流控器件—核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案

董海峰 赵 亮 张学记

（北京科技大学，北京100083）

研究与讨论

癌症精准医疗的瞄准镜和雷达之“液体活检”
——微流控器件—核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案

董海峰 赵 亮 张学记＊

（北京科技大学，北京100083）

液体活检通过分析外周血中循环肿瘤细胞（CTC）和循环肿瘤核酸（ctDNA、microRNA）基因的表达和变异，从而获取肿瘤发生、转移和治疗的信息，在肿瘤的精准治疗中具有广阔的应用前景。发展有效的CTC、ctDNA及microRNA的检测仪器显得尤为重要。本文分析了目前国内外液体活检的相关仪器；介绍了“数字诊疗装备研发”国家重点专项“微流控器件－核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案”的研发情况。

循环肿瘤细胞 循环肿瘤核酸 液体活检 微流控 核酸质谱

目前，肿瘤医学领域中最为重要的研究课题之一就是如何实现肿瘤的精准治疗，如何应用微量临床病理样本进行快速定量的分析。液体活检就是癌症精准医疗的瞄准镜和雷达。液体活检的标志物包含两部分，一部分是以循环肿瘤细胞（CTC）为典型代表的细胞水平标志物。另一部分是循环核酸分子水平的标志物；另外在分子水平，已有充分的研究证明：游离循环肿瘤DNA（Cell－free Circulating Tumor DNA，ctDNA），microRNA（miRNA）等核酸指标与肿瘤的相关性最为显著，其表达模式也与病人预后相关，可以进行恶性肿瘤的预警与早期诊断。

循环肿瘤细胞（Circulating tumor cell，CTC）是指从实体瘤中脱离出来并进 入外周血液循环的肿瘤细胞。循环系统中检测到CTCs提示可能有肿瘤微转移的存在 并有进一步发展成为远端转移的可能性，因此对CTCs进行检测有助于乳腺癌等肿瘤转移的早期诊断、肿瘤治疗效果评估、个体化治疗方案定制及肿瘤转移机制的研究［1］。凋亡、自噬或坏死的肿瘤细胞会释放DNA进入血液循环系统，这些ctDNA和正常细胞释放的DNA同时存在于无细胞的血浆中，由肿瘤细胞释放到血浆中的单链或者双链DNA，携带有与原发肿瘤组织相一致的分子遗传学改变［2］。数十年来，科研人员一直都在寻找能够很好地反映肿瘤情况的生物标志物，与蛋白质类生物标志物相比，循环DNA的表现应该会更好［3］。ctDNA检测出现假阳性结果的可能性就要低得多，因为我们不是检测ctDNA的水平，而是检测它是否携带有肿瘤特异性的突变，或其它基因组改变信息。ctDNA作为一种癌组织潜在替代物，可以用于揭示肿瘤全基因谱，利用ctDNA作为一种新型的 “液相活组织切片”追踪癌症基因的信息，作为一种有效的肿瘤标志物，非常迫切，前景广阔［4，5］。miRNA与人类肿瘤的发生密切相关，其表达模式也与病人预后相关。而且，除了 组织和细胞中的miRNA，外周血miRNA的表达也表现为显著的肿瘤相关性、组织特异性和表达稳定性。因而，利用miRNA在不同癌变组织与正常对照之间存在显著表达差异，可以发现新的恶性肿瘤生物标志物；通过外周血中miRNA的检测，可以进行恶性肿瘤的预警与早期诊断［6］。利用ctDNA和miRNA的生物功能进行进行疾病诊断、基因药物开发、基因治疗等，发展良好的ctDNA，miRNA分析检测技术尤为关键［7，8］。

微流控系统首先采用流体动力学分离出血细胞，而后采用惯性聚焦和磁泳技术分离出白细胞，最终实现对CTC的富集。目前Veridex公司开发的CellSearch CTC采用上皮细胞粘附分子EpCAM磁珠富集肿瘤细胞，并用细胞角蛋白CK19鉴定肿瘤细胞，但不是所有肿瘤细胞都表达EpCAM，所以假阴性率高。

在质谱仪器开发与检测方面，国际生产MALDI－TOF质谱仪的主要有美国应用生物系统公司（ABI）生产的Super Voyager－DE、－STR和4700、沃特斯（Waters）公司生产的MALDI micro MXTM、日本岛津（Shimadzu）公司生产的AXIMA PerformanceTM型、德国布鲁克（Bruker）公司生产的CLINPROT microflex，还有与MALDI－TOF质谱仪类似的美国赛弗吉（Ciphgen）生物系统公司生产的表面增强激光解吸电离（SELDI）／飞行时间（TOF）质谱仪PBSⅡ／C和PCS4000。综上所述，微流控芯片技术与质谱技术的联用和集成化在CTC检测，ctDNA、microRNA等肿瘤标志物的高灵敏检测方面尚未形成系统的专利和知识产权，相关报道不多。可以看出，目前发达国家和地区，特别是美国正在精准医疗等大项目的推动下紧锣密鼓地在商品化CTC检测平台上布局，我们国内目前尚缺乏相关领域特别是利用微流控芯片作为技术载体的装置设备的跟进。

最近，科技部公布的国家重点研发计划“数字诊疗装备研发”重点专项立项工作已经完成，由北京科技大学化生学院传感中心“千人计划”张学记教授牵头的“微流控器件－核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案”以全票通过的形式，获得科技部“十三五国家重点研发计划数字诊疗装备研发”专项的资助。本项目由北京科技大学牵头，军事科学院基础医学研究所、北京大学肿瘤医院、毅新博创、河南省肿瘤医院、大兴区人民医院等多家单位共同参与，图1为微流控芯片－核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案流程示意图。

项目“微流控器件－核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案”瞄准微流控器件和质谱技术的集成整合，进一步完善和开发器件化平台，并在装备研发成型后通过整合形成应用解决方案，对不同层次医疗机构进行投放和适用，最终形成临床指南。通过构建微流控器件装置和相应的质谱检测系统，将能够在器件上完成对极微量的同一临床样品中的ctDNA、miRNA及CTC多指标精准定量，最大程度地提高信息获取的通量，实现肿瘤早期诊断以及药物疗效分析。针对肿瘤精确诊断和精准治疗，形成微流控芯片－核酸质谱集成装备在乳腺癌、肺癌中的临床应用解决方案；对此临床应用解决方案进行循证评价，并在各级临床医疗单位进行试用和推广，为进入临床指南奠定基础。通过构建微流控器件装置和相应的质谱检测系统，将能够在器件上完成对极微量的临床样品的肿瘤早期诊断以及药物疗效分析，用最少的取样完成最大程度的生物信息提取，在临床上最大程度地减小对病人的创伤，最大程度地提高信息获取的 通量并强调同一样本多指标精准定量，微量核酸检测分析、单细胞水平基因信息，是对精准医疗指导思想的直接实践和完美阐释。本项目为肿瘤的精确诊断和精准治疗提供一种新型的应用解决方案，提高肿瘤患者的生存质量，延长生存时间；对提升我国在精确诊断和精准治疗装备方面的竞争优势有重要意义。

图1 微流控芯片－核酸质谱集成装备研制及在肿瘤精准医学中的应用解决方案流程示意图

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Liquid biopsy：the gunsight and radar of precision medicine－fabrication of microchip－nucleic acids mass spectra equipment and its application in precision medicine.

Dong Haifeng，Zhao Liang，Zhang Xueji＊

（University of Science and Technology Beijing，Beijing China，100083，China）

Liquid biopsy，that is，analysis of gene mutations and expression related to tumorigenesis，metastasis and therapy on circulating tumor cells（CTC）and cell－free circulating tumor DNA（ctDNA）or microRNA released into the peripheral blood from metastatic deposits，hold a great promise in precision medicine.Developing efficient detection equipment is significant.We analyze the recent processes in the“liquid biopsy”instrument.Specially，we discuss the project of“Fabrication of Microchip－Nucleic Acids Mass Spectra Equipment and its Application in Precision Medicine”，which is one of the state key project of“Research of Digital Theranostic Equipment”.

circulating tumor cells；cirulating tumor nucleic acids；liquid biopsy；microfluidic；nucleic acids mass spectra

10.3936／j.issn.1001－232x.2017.01.010

2016－10－19

董海峰，男，1982年出生，博士，教授／博导，主要研究领域：生物分析与生物传感，E－mail：hfdong＠ustb.edu.cn。