癌癥精準醫療的瞄準鏡和雷達之“液體活檢”
——微流控器件—核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案

董海峰 趙 亮 張學記

（北京科技大學，北京100083）

研究與討論

癌癥精準醫療的瞄準鏡和雷達之“液體活檢”
——微流控器件—核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案

董海峰 趙 亮 張學記＊

（北京科技大學，北京100083）

液體活檢通過分析外周血中循環腫瘤細胞（CTC）和循環腫瘤核酸（ctDNA、microRNA）基因的表達和變異，從而獲取腫瘤發生、轉移和治療的信息，在腫瘤的精準治療中具有廣闊的應用前景。發展有效的CTC、ctDNA及microRNA的檢測儀器顯得尤為重要。本文分析了目前國內外液體活檢的相關儀器；介紹了“數字診療裝備研發”國家重點專項“微流控器件－核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案”的研發情況。

循環腫瘤細胞 循環腫瘤核酸 液體活檢 微流控 核酸質譜

目前，腫瘤醫學領域中最為重要的研究課題之一就是如何實現腫瘤的精準治療，如何應用微量臨床病理樣本進行快速定量的分析。液體活檢就是癌癥精準醫療的瞄準鏡和雷達。液體活檢的標志物包含兩部分，一部分是以循環腫瘤細胞（CTC）為典型代表的細胞水平標志物。另一部分是循環核酸分子水平的標志物；另外在分子水平，已有充分的研究證明：游離循環腫瘤DNA（Cell－free Circulating Tumor DNA，ctDNA），microRNA（miRNA）等核酸指標與腫瘤的相關性最為顯著，其表達模式也與病人預后相關，可以進行惡性腫瘤的預警與早期診斷。

循環腫瘤細胞（Circulating tumor cell，CTC）是指從實體瘤中脫離出來并進 入外周血液循環的腫瘤細胞。循環系統中檢測到CTCs提示可能有腫瘤微轉移的存在 并有進一步發展成為遠端轉移的可能性，因此對CTCs進行檢測有助于乳腺癌等腫瘤轉移的早期診斷、腫瘤治療效果評估、個體化治療方案定制及腫瘤轉移機制的研究［1］。凋亡、自噬或壞死的腫瘤細胞會釋放DNA進入血液循環系統，這些ctDNA和正常細胞釋放的DNA同時存在于無細胞的血漿中，由腫瘤細胞釋放到血漿中的單鏈或者雙鏈DNA，攜帶有與原發腫瘤組織相一致的分子遺傳學改變［2］。數十年來，科研人員一直都在尋找能夠很好地反映腫瘤情況的生物標志物，與蛋白質類生物標志物相比，循環DNA的表現應該會更好［3］。ctDNA檢測出現假陽性結果的可能性就要低得多，因為我們不是檢測ctDNA的水平，而是檢測它是否攜帶有腫瘤特異性的突變，或其它基因組改變信息。ctDNA作為一種癌組織潛在替代物，可以用于揭示腫瘤全基因譜，利用ctDNA作為一種新型的 “液相活組織切片”追蹤癌癥基因的信息，作為一種有效的腫瘤標志物，非常迫切，前景廣闊［4，5］。miRNA與人類腫瘤的發生密切相關，其表達模式也與病人預后相關。而且，除了 組織和細胞中的miRNA，外周血miRNA的表達也表現為顯著的腫瘤相關性、組織特異性和表達穩定性。因而，利用miRNA在不同癌變組織與正常對照之間存在顯著表達差異，可以發現新的惡性腫瘤生物標志物；通過外周血中miRNA的檢測，可以進行惡性腫瘤的預警與早期診斷［6］。利用ctDNA和miRNA的生物功能進行進行疾病診斷、基因藥物開發、基因治療等，發展良好的ctDNA，miRNA分析檢測技術尤為關鍵［7，8］。

微流控系統首先采用流體動力學分離出血細胞，而后采用慣性聚焦和磁泳技術分離出白細胞，最終實現對CTC的富集。目前Veridex公司開發的CellSearch CTC采用上皮細胞粘附分子EpCAM磁珠富集腫瘤細胞，并用細胞角蛋白CK19鑒定腫瘤細胞，但不是所有腫瘤細胞都表達EpCAM，所以假陰性率高。

在質譜儀器開發與檢測方面，國際生產MALDI－TOF質譜儀的主要有美國應用生物系統公司（ABI）生產的Super Voyager－DE、－STR和4700、沃特斯（Waters）公司生產的MALDI micro MXTM、日本島津（Shimadzu）公司生產的AXIMA PerformanceTM型、德國布魯克（Bruker）公司生產的CLINPROT microflex，還有與MALDI－TOF質譜儀類似的美國賽弗吉（Ciphgen）生物系統公司生產的表面增強激光解吸電離（SELDI）／飛行時間（TOF）質譜儀PBSⅡ／C和PCS4000。綜上所述，微流控芯片技術與質譜技術的聯用和集成化在CTC檢測，ctDNA、microRNA等腫瘤標志物的高靈敏檢測方面尚未形成系統的專利和知識產權，相關報道不多?？梢钥闯?，目前發達國家和地區，特別是美國正在精準醫療等大項目的推動下緊鑼密鼓地在商品化CTC檢測平臺上布局，我們國內目前尚缺乏相關領域特別是利用微流控芯片作為技術載體的裝置設備的跟進。

最近，科技部公布的國家重點研發計劃“數字診療裝備研發”重點專項立項工作已經完成，由北京科技大學化生學院傳感中心“千人計劃”張學記教授牽頭的“微流控器件－核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案”以全票通過的形式，獲得科技部“十三五國家重點研發計劃數字診療裝備研發”專項的資助。本項目由北京科技大學牽頭，軍事科學院基礎醫學研究所、北京大學腫瘤醫院、毅新博創、河南省腫瘤醫院、大興區人民醫院等多家單位共同參與，圖1為微流控芯片－核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案流程示意圖。

項目“微流控器件－核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案”瞄準微流控器件和質譜技術的集成整合，進一步完善和開發器件化平臺，并在裝備研發成型后通過整合形成應用解決方案，對不同層次醫療機構進行投放和適用，最終形成臨床指南。通過構建微流控器件裝置和相應的質譜檢測系統，將能夠在器件上完成對極微量的同一臨床樣品中的ctDNA、miRNA及CTC多指標精準定量，最大程度地提高信息獲取的通量，實現腫瘤早期診斷以及藥物療效分析。針對腫瘤精確診斷和精準治療，形成微流控芯片－核酸質譜集成裝備在乳腺癌、肺癌中的臨床應用解決方案；對此臨床應用解決方案進行循證評價，并在各級臨床醫療單位進行試用和推廣，為進入臨床指南奠定基礎。通過構建微流控器件裝置和相應的質譜檢測系統，將能夠在器件上完成對極微量的臨床樣品的腫瘤早期診斷以及藥物療效分析，用最少的取樣完成最大程度的生物信息提取，在臨床上最大程度地減小對病人的創傷，最大程度地提高信息獲取的 通量并強調同一樣本多指標精準定量，微量核酸檢測分析、單細胞水平基因信息，是對精準醫療指導思想的直接實踐和完美闡釋。本項目為腫瘤的精確診斷和精準治療提供一種新型的應用解決方案，提高腫瘤患者的生存質量，延長生存時間；對提升我國在精確診斷和精準治療裝備方面的競爭優勢有重要意義。

圖1 微流控芯片－核酸質譜集成裝備研制及在腫瘤精準醫學中的應用解決方案流程示意圖

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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／博導，主要研究領域：生物分析與生物傳感，E－mail：hfdong＠ustb.edu.cn。