循環(huán)腫瘤細胞檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

張惠靜，畢穎楠，郝敦玲

（第三軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)檢驗系分析化學(xué)教研室，重慶 400038）

1 引 言

腫瘤治療中是否發(fā)生遠端轉(zhuǎn)移是指導(dǎo)臨床制訂治療方案、判斷預(yù)后面臨的主要問題。隨著對腫瘤微轉(zhuǎn)移的深入研究，循環(huán)腫瘤細胞（Circulating Tumor Cells，CTCs）已成為當(dāng)前腫瘤學(xué)研究的熱點，用來揭示腫瘤轉(zhuǎn)移行為、反映腫瘤的侵襲性，從而指導(dǎo)臨床個體化治療并對患者進行預(yù)后評估[1-2]。因此，CTCs的檢測在臨床診斷、抗癌治療以及開發(fā)新型的抗癌藥物中占有突出的地位。目前循環(huán)腫瘤細胞CTCs已被用來研究多種腫瘤（如結(jié)腸癌[3]、乳腺癌[4]、前列腺癌[5]、直腸結(jié)腸癌[6]等）的微轉(zhuǎn)移并指導(dǎo)臨床治療。

2 CTCs檢測方法

血道轉(zhuǎn)移是腫瘤轉(zhuǎn)移重要的方式之一，絕大多數(shù)的腫瘤都通過其脫落細胞進入血液循環(huán)進而侵襲其他臟器進行遠端轉(zhuǎn)移。因此，在外周血中檢測到CTCs是預(yù)示腫瘤早期轉(zhuǎn)移（特別是尚未發(fā)現(xiàn)微轉(zhuǎn)移病灶時）最直接的方法，在腫瘤早期轉(zhuǎn)移的臨床診斷中具有積極的意義。但是，對于數(shù)以億萬計的外周血細胞而言，CTCs在外周血中的數(shù)量稀少，大約每105～107個單核細胞中才有一個CTCs[7]。因此，發(fā)展穩(wěn)定、靈敏以及特異性高的檢測方法是解決CTCs檢測問題的關(guān)鍵[8]。現(xiàn)有針對CTCs的檢測技術(shù)主要包括細胞富集技術(shù)和鑒定技術(shù)兩類。

2.1 細胞篩選/富集技術(shù)

由于外周血中CTCs所占的比率極低（常低于1/106），因此首先要對血液樣本中的目標(biāo)細胞進行富集以提高其檢出率，增加檢測的敏感性。常用的細胞富集技術(shù)主要有免疫磁分選、密度梯度離心和細胞過濾等。

免疫磁分選技術(shù)（Immunomagnetic Separation，IMS）是基于特異性免疫識別原理的細胞篩選富集技術(shù)。它將針對腫瘤細胞膜蛋白的特異性抗體（如EpCAM、Ber EP4、Cytokeratins等）包被于磁珠表面以完成腫瘤細胞的特異性識別，借助外加磁場完成對CTCs的篩選/富集。這類技術(shù)最大的優(yōu)勢在于分選過程避免了細胞裂解，從而降低后續(xù)鑒定工作中的干擾因素，并可對細胞進行形態(tài)學(xué)分析。篩選富集模式有陽性分選和陰性分選，也可將兩種模式結(jié)合，進一步降低血細胞含量，提高富集效率。Hu等[9]成功利用免疫磁分選技術(shù)對臨床樣本中的乳腺癌細胞進行篩選/富集，研究顯示，IMS能夠有效地富集腫瘤細胞，從而提高樣本中CTCs檢出的陽性率。目前，市場上商品化的CTCs專用檢測儀僅有美國Veridex公司生產(chǎn)的CellSearch系統(tǒng)，該儀器已通過FDA認證，是一項集合了免疫磁分選技術(shù)和免疫細胞化學(xué)法的分離檢測技術(shù)，通過在磁珠上固定anti-EpCam抗體特異性的識別、結(jié)合靶細胞，在外加磁場的作用下完成腫瘤細胞的篩選/富集，經(jīng)熒光染料染色后，借助熒光成像技術(shù)對結(jié)果進行分析，從而完成對CTCs的檢測。由于ISM需借助細胞表面特異性標(biāo)記作為篩選的靶標(biāo)，因此靶標(biāo)的表達狀況便會影響分析方法的敏感性和特異性。例如，炎癥性疾病、生理變化、樣本中非腫瘤標(biāo)志物的表達等因素會造成假陽性的結(jié)果，而分離過程中CTCs的丟失、循環(huán)中的腫瘤細胞的高度異質(zhì)性等因素則會造成假陰性的結(jié)果。

密度梯度離心法和細胞過濾技術(shù)均是運用物理方法富集篩選有核細胞。商品化的OncoQuick離心分離管根據(jù)細胞的密度及大小的差異，通過梯度離心將低密度細胞（包括表皮細胞、腫瘤細胞、淋巴細胞、血小板）富集在一起；ISET（Isolation by Size of Epithelial Tumor Cells）分離技術(shù)則依據(jù)細胞的尺寸對細胞進行過濾，從而篩選/富集腫瘤細胞。由于這兩種富集方法是借助細胞的物理特性，因此篩選不具特異性，所富集的細胞中不僅含有腫瘤細胞，還存在不同種類的其他細胞（特別是單核細胞）。因此，在后續(xù)工作中進行細胞鑒定時，由于腫瘤細胞的差異表達和基因標(biāo)志物的非特異性，血液中單核細胞帶來的干擾會導(dǎo)致檢測結(jié)果呈假陽性。

2.2 腫瘤細胞鑒定技術(shù)

對外周血樣本進行富集處理之后并不能完成CTCs的檢測，必須聯(lián)合應(yīng)用其他細胞鑒定技術(shù)來確定細胞的種類和來源。因此，選用特異性的檢測技術(shù)或方法對CTCs及其分子進行確認是完成整個鑒定過程的關(guān)鍵步驟。常用的鑒定檢測技術(shù)包括逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）、免疫細胞化學(xué)技術(shù)（Immunocytochemistry，ICC）、熒光原位雜交技術(shù)（Fluorescence In Situ Hybridization，F(xiàn)ISH）和流式細胞術(shù)（Flow Cytometry，F(xiàn)CM）等。

逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）以腫瘤和上皮組織中某種物質(zhì)的mRNA為標(biāo)志物檢測CTCs。由于mRNA標(biāo)志物不表達正常的外周血細胞，故在外周血中檢測到mRNA可以間接提示CTCs的存在。從Kopreski等[10]首次采用RT-PCR檢測黑色素瘤患者血漿中酪氨酸酶的mRNA以來，這一方法已廣泛用于多種實體瘤的CTCs檢測和研究[11-12]。RT-PCR及其各種改進技術(shù)是目前檢測循環(huán)腫瘤細胞最有效的方法，但由于測定過程需破壞CTCs，因此無法對細胞進行形態(tài)學(xué)觀察。此外，RT-PCR是對某個腫瘤標(biāo)志物的mRNA進行檢測，因此取樣時上皮細胞污染、假基因干擾、腫瘤標(biāo)志物在非腫瘤細胞內(nèi)的非法轉(zhuǎn)錄等因素都可造成假陽性結(jié)果。例如，CK19可表達于正常人和惡性血液病的病人中，其陽性率分別為3.7%和14.3%。此外，炎癥、侵入性的檢查或者外科手術(shù)均可導(dǎo)致外周血樣品的污染，使分析結(jié)果呈現(xiàn)假陽性。同時腫瘤細胞的異質(zhì)性和個體間腫瘤標(biāo)志物的表達差異也可能造成假陰性結(jié)果。為解決這一問題，研究人員采用多標(biāo)志物聯(lián)合檢測或RT-PCR技術(shù)與其他檢測技術(shù)的聯(lián)合運用（如Southern印跡、ELISA、MACS等）的方式提高方法的靈敏度與特異性，取得了良好的效果。

免疫細胞化學(xué)技術(shù)（ICC）和熒光原位雜交技術(shù)（FISH）均是在細胞富集的基礎(chǔ)上針對腫瘤特異的蛋白或基因進行原位檢測，從而對篩選后的細胞完成鑒定。由于腫瘤細胞蛋白/基因表達的不穩(wěn)定性以及其他正常細胞存在非法表達，因此檢測結(jié)果的準確性依賴于所檢測目標(biāo)的表達狀況。例如，Kahn等用梯度離心法（Ficoll/Hypaque）首先對樣品中的細胞進行富集，之后借助抗CK8抗體（CAM 5.2）對富集細胞進行免疫化學(xué)染色，結(jié)果顯示此方法可以在每5mL外周血中檢測到5個腫瘤細胞。FISH技術(shù)以基因分子探針作為示蹤物雖然提高了檢測的準確性，但由于基因的差異性表達，分子探針并不能標(biāo)記所有的靶細胞，因此限制了此技術(shù)在外周血樣本中檢測稀缺CTCs的應(yīng)用。

流式細胞計數(shù)（FCM）是一項集激光、電子物理、光電測量、計算機、細胞熒光化學(xué)及單克隆抗體技術(shù)為一體的細胞分選和分析技術(shù)。此項技術(shù)具有分析速度快、精度高、準確度好等優(yōu)點，可以對外周血樣本中的CTCs進行定量計數(shù)，還可對細胞的物理、化學(xué)特性做多參數(shù)測量。然而，流式細胞術(shù)檢測靶細胞的敏感度僅為1/104，而外周血中CTCs的數(shù)量常小于1/106，因此單純依靠FCM測定CTCs的方法敏感性仍存在爭議。通過與其他細胞富集技術(shù)（如磁珠富集）聯(lián)用可對CTCs進行特異性富集，提高方法的敏感性和鑒別力，使CTCs的陽性檢出率提高。

由于各種檢測技術(shù)的局限性和外周血樣品的特殊性，使得單純地依賴特異性的蛋白標(biāo)志物或基因標(biāo)志物的分析并不能完成對CTCs的準確分析，必須聯(lián)合必要的細胞篩選/富集手段提高CTCs的濃度，從而提高分析的準確性和靈敏度。然而，目前的檢測技術(shù)中，細胞篩選/富集過程和鑒定分析過程相互脫節(jié)，即需完成CTCs富集才能進入腫瘤細胞鑒定的過程。這種多步驟、分步式的檢測方式受人工操作、樣品轉(zhuǎn)移的影響極大，降低了檢測方法的靈敏性和可靠性。因此，建立一種集分選、富集和檢測于一體的分析技術(shù)是提高外周血中CTCs檢出率的重要途徑。

2.3 微流控分析芯片技術(shù)

近年來，隨著微流控和微機械加工技術(shù)（MEMS）的不斷完善和發(fā)展，微流控芯片技術(shù)在細胞水平上的生物學(xué)研究和臨床實驗診斷等領(lǐng)域里的優(yōu)勢日趨顯著[13-14]。微流控芯片又稱芯片實驗室（Lab-on-a-Chip），該技術(shù)是將生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成或基本集成在一塊幾平方厘米的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)生物或化學(xué)實驗室的各種功能的一種技術(shù)。該技術(shù)的基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在微小平臺上的靈活組合和大規(guī)模集成，可以將現(xiàn)行所有的細胞分析步驟和過程（如細胞操縱、細胞捕捉/篩選、細胞培養(yǎng)以及在線實時動態(tài)監(jiān)測分析等）整合于一塊微芯片上，實現(xiàn)分析操作的一體化。因此，基于微流控分析芯片技術(shù)在細胞分析和研究中所顯現(xiàn)的優(yōu)勢，其在CTCs上的應(yīng)用研究也在積極展開并取得一定進展。Nagrath等[15]在其研究中利用微流控親和色譜芯片技術(shù)實現(xiàn)了對全血樣本中CTCs的分離/富集。該研究在一塊2.5cm×6.6cm的芯片上，于1.9cm×5.1cm長方形微腔中設(shè)置了70 000多個呈等腰三角形排列的微柱結(jié)構(gòu)，其柱高100μm，直徑100μm，柱間距50μm，并通過共價結(jié)合的方式將抗表皮細胞粘附分子（Anti-EpCAM）抗體固定于微腔中，構(gòu)成分離/富集區(qū)。通過優(yōu)化流速等條件借助抗原/抗體的親和作用，實現(xiàn)了毫升級外周血中多種腫瘤CTCs的篩選純化。研究表明，通過在芯片腔體中設(shè)置呈等腰三角形排列的微柱，不但能夠增大微結(jié)構(gòu)與細胞接觸的比表面積，而且這種構(gòu)型的微柱結(jié)構(gòu)還有效地避免了剪切力對細胞識別/捕獲的影響。隨后該研究小組又利用該系統(tǒng)從非小細胞肺癌患者的外周血中分離/富集CTCs，并利用離線的PCR技術(shù)完成了其表皮生長因子受體基因（EGFR）的突變分析[16]。但該研究所用芯片以硅作為基片，芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，其細胞富集的平均純度只有50%左右。Adams等[17]構(gòu)建了一個具有51個波浪形微通道陣列的芯片，通道尺寸為長 3.5 cm×寬 35 μm×深 150 μm，將Anti-EpCAM抗體固定于微通道表面，在37min內(nèi)成功地從全血中分離/富集出人乳腺癌細胞MCF－7，并通過整合的電導(dǎo)傳感器，對細胞進行定量計數(shù)分析，其捕獲率高達97%，純度近100%。該方法通過陣列化的捕獲通道設(shè)置，較好地解決了通量問題，但其檢測結(jié)果采用的是非選擇性的電導(dǎo)檢測技術(shù)。

目前，利用微流控芯片技術(shù)進行CTCs檢測還在起步階段，在芯片設(shè)計、材料選用、檢測技術(shù)聯(lián)用等方面仍存在不足，但此技術(shù)的出現(xiàn)卻為CTCs檢測技術(shù)的發(fā)展提供了新的方法和思路。

3 發(fā)展與展望

綜上所述，CTCs的分析是一個多步驟聯(lián)合的分析過程，細胞篩選/富集技術(shù)與腫瘤細胞鑒定技術(shù)的聯(lián)用有助于提高外周血樣本中CTCs的檢出率，從而更為準確地指導(dǎo)臨床治療。微流控芯片作為新出現(xiàn)的分析平臺以其靈活的設(shè)計、積木式的功能組裝為特點，將細胞篩選/富集功能區(qū)與細胞鑒定技術(shù)結(jié)合，在一張芯片上完成CTCs的檢測。這種技術(shù)有效地避免了分步操作造成的影響，從而提高了CTCs的檢出率。另外，由于芯片系統(tǒng)的設(shè)計靈活，在芯片內(nèi)可設(shè)置相應(yīng)的藥物篩選單元，為臨床個體化治療方案提供可能。雖然目前利用此技術(shù)完成對CTCs的檢測尚不成熟，但不可否認微流控芯片的出現(xiàn)為CTCs的檢測和實現(xiàn)臨床的個體化治療提供了新的技術(shù)平臺。因此，利用微流控芯片系統(tǒng)進行CTCs檢測將成為未來CTCs檢測研究的重點。如何建立一個靈敏度高、特異性強，能夠針對多種腫瘤細胞進行篩選以及將多步驟檢測過程實現(xiàn)在線整合的系統(tǒng)是今后微流控芯片系統(tǒng)檢測CTCs亟待解決的問題。

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