开放空间中基于温伯格效应捕获和分析循环肿瘤细胞

外周血中的循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）的数量能够反映转移性肿瘤的恶性程度，是癌症诊断、预后和治疗的重要生物标志物。目前，已有大量的研究提出利用CTC独特的生物学特性或物理特性来对其进行分离和检测。然而CTC具有较高的异质性，例如，在转移过程中会经历上皮间充质转变（EMT），因而丧失上皮细胞粘附分子的表达，导致其捕获效率降低。此外，尽管已证明CTC的平均大小要比白细胞大，但二者之间仍存在明显的大小重叠。当前，具有“温伯格效应”的肿瘤细胞代谢特征被认为是区分CTC和正常细胞的独特标志。即使在充足氧气的情况下，肿瘤细胞也倾向于选择糖酵解途径来产生能量，该途径可分泌大量乳酸并引起肿瘤微环境的酸化。

图1. 基于温伯格效应的肿瘤细胞捕获和分析示意图

基于这种现象，近日清华大学的林金明教授团队与中国计量科学研究院的李红梅研究员团队合作报道了一种新的捕获和分析循环肿瘤细胞的策略，可实现在单细胞水平上区分正常细胞和肿瘤细胞。在这项工作中，开发了带有流体壁的开放空间平台，用于实时监测和原位捕获/分析肿瘤细胞。首先利用喷墨打印高通量地产生具有较高单细胞包裹率的液滴阵列。在界面张力的作用下，液滴则会固定在涂有铟锡氧化物（ITO）的玻璃基板上，从而保持位置不变。液滴中的培养基被流体壁限制，以减少蒸发（图1）。根据温伯格效应，含有肿瘤细胞的皮升级液滴中的乳酸可以迅速达到可检测的浓度（图2）。随后，去除液体壁和添加基质，通过基质辅助激光解吸附质谱（MALDI-MS）直接分析ITO玻璃上的肿瘤细胞（图3）。这种基于开放空间的平台具有同时解析显微图像和质谱数据的能力，使得实时观察和原位分析变得容易，可成为用于评估治疗效果和监测疾病进展的有前途工具。

图2. 不同大小液滴中正常细胞和肿瘤细胞介质酸化动力学评估

图3. 使用MALDI-MS在开放空间平台上进行原位单细胞分析

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，第一作者为中国计量科学研究院张炜飞副研究员，清华大学李楠博士为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金（Nos. 22034005, 81872829, 21804026）和中国博士后科学基金（2020M680502）的资助。

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Metabolism-Based Capture and Analysis of Circulating Tumor Cells in an Open Space

Weifei Zhang, Nan Li, Ling Lin, Hongmei Li*, and Jin-Ming Lin*

Anal. Chem., 2021, 93, 6955–6960, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c05155

导师介绍

林金明

https://www.x-mol.com/groups/Linlab