基于微芯片的自动化循环肿瘤细胞检测系统——CellRich™新型液体活检平台

循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cell, CTC）是存在于血液中带有原肿瘤的抗原性和分子遗传特性的肿瘤细胞。CTC来源于原发肿瘤或转移瘤，它们获得了能够迁移到血液循环的能力，当其中的一部分细胞遇到合适的微环境，就极有可能像找到良田的种子“生根发芽”，克隆生长成新的转移瘤。

美国国立卫生院（NIH）在 2011年的年度癌症研究报告中就指出，通过新技术分析 CTC是癌症研究和临床治疗史上划时代的成就，能够有效地降低癌症的诊疗成本，它将对癌症早期排查和个性化医疗产生革命性的影响。近几年对多类肿瘤病症的临床研究结果表明，CTC与癌症的临床预测（prognosis）和化疗放疗抗药性有紧密的相关性：在未转移的肿瘤患者体内检测到的CTC可能是化疗或放疗后肿瘤复发转移的原凶；而在已发现转移的癌症患者体内的CTC与肿瘤负荷的预测及对化疗放疗敏感性相关性很高。

在过去的十年中，新兴的CTC分离技术吸引了科学界和生物技术产业界的极大关注。按照分离机制不同，这些方法可以归类为：

1、以CTCs表面抗原和免疫荧光为基础的方法

这种技术集合了免疫磁珠分选技术和免疫细胞化学法的分离检测技术。其主要原理是利用偶联了EpCAM（上皮细胞粘附因子）抗体的磁颗粒与肿瘤细胞表面的抗原相结合，然后结合荧光染料的抗-CD45和抗细胞角蛋白(CK8/18/19)，最后采用DAPI染色来鉴定细胞核，EpCAM（+）CK（+）DAPI（+）CD45（-）的细胞被界定为CTC并进行计数。

2、以细胞大小差异和过滤为基础的方法（ISET）

这种方法是基于CTCs与大部分血细胞存在明显的尺寸差别以及CTCs较正常血细胞不容易变形。研究表明运用8µm的滤孔分离CTCs效果最佳。富集到的CTCs可再通过光学染色或免疫染色(免疫荧光或免疫细胞化学)从形态学特征或分子特征等方面来确认肿瘤细胞。ISET优势在于不破坏CTCs的形态，保持了CTCs的活性，有利于后续对单个CTC进行形态学、免疫细胞学及遗传学特征的研究，但是此方法可能会漏检某些直径较小的CTCs。

3、以DNA/RNA为基础的检测方法

CTCs的某些基因或表达的mRNA不存在于正常的血细胞中，可通过对这些DNA或RNA的检测来判断CTCs的存在。这种RT-PCR的方法非常灵敏，可分析极微量RNA，然而因为该技术是以信号放大为基础的，稍有污染就容易造成假阳性的结果出现，目前，其在临床应用中最大的限制就是缺乏特别明确的特异性标志物，发现明确的肿瘤细胞特异性mRNA对于促进CTCs检测的特异性及准确性至关重要。

由于 CTC数量稀少并隐藏在数百亿血液细胞中，目前针对CTC的研究仍然极具挑战。而且现有CTC仪器功能单一，仅基于简单的物理尺寸或细胞生物学方法等进行分类和计数，尚处于基于CTC肿瘤研究设备的初级探索期。当前CTC分析仪器中存在以下三方面关键性问题急需解决：1）采血量相对较大，筛选效率低，捕获选择性不高且容易损伤细胞；2）不可操控性：缺乏对已捕获CTC有效微操控技术和相应的细胞生物物理性质研究；3）检测手段单一且质量低：仅通过荧光标记计算细胞数量，对CTC各类分子组成的鉴定分析极为有限。以上问题导致当前CTC的研究停滞在原始阶段，对CTC的单细胞特性、分子标记物的种类及性质的理解均不充分，距离临床肿瘤病症诊疗的转化应用仍然有距离。

（一）CellRich^TM平台解决的关键技术问题

1、高效地捕获CTC

相比于传统的细胞筛选技术，该CTC筛选装置基于一系列科学、技术创新实现捕获效率的飞跃：融合逆向、正向筛选技术以提高选择性；利用多场条件进行筛选以提高灵敏度；使用纳米免疫生物材料进行捕获以更好保持细胞活性。高效的CTC捕获是整套系统的核心，其可以在实际血液样品中筛选足够量的CTC，为后续的CTC操控、检测奠定基础。

2、CTC分子检测

为了面向临床诊断的转化医学应用，该平台面向先进检测方法，利用质谱分析技术、微阵列分析技术以及单细胞测序技术，全面检测CTC中的代谢组、蛋白组及基因组。我们将以多发性恶性肿瘤病症（如乳腺癌）为模型，检测已知分子标志物、筛查新型分子标志物，拓展基于CTC个数的细胞尺度的诊断方法，建立更具统计学意义的基于多重分子标志物的分子尺度的诊断方法。 

（二）CellRich^TM平台的创新点

本平台针对肿瘤诊治中对循环肿瘤活细胞的捕获及其在临床转移阶段的应用这一紧迫需求，以基于纳米芯片的循环肿瘤活细胞捕获技术为突破口，通过纳米技术、生物医学工程、材料科学与工程、肿瘤生物学和临床医学等多学科技术交叉与融合，开发高效吸附活性循环肿瘤细胞的磁性纳米材料，构建基于纳米芯片技术的多场捕获循环肿瘤活细胞技术，建立小型、便携、个体化的纳米芯片实时诊断平台，实现其对不同肿瘤细胞标志物的高灵敏度检测。同时也为诊断肿瘤临床转移和治疗新策略提供新一代技术和产品支持。为我国乃至世界上消除恶性肿瘤对国民健康的巨大危害等做出积极贡献。

美晶医疗的CellRich^TM平台采用新型的纳米捕获及微流场技术，结合纳米材料、CTC特异性分子识别、微流体芯片技术，从而大大提高了捕获效率， 并节约了成本。与主要竞争技术类产品相比，具有捕获效率高，智能化程度和耗品用量少的竞争优势, 是一种性价比很高的CTC检测技术。在理论，应用，技术，及产品的工艺和制造创新方面均有所突破。

1、理论创新

本平台集中了纳米材料、微流体芯片、肿瘤干细胞以及临床肿瘤研究方面的最新研究成果，展开多学科交叉合作研发。在生物纳米材料，微芯片诊断技术，先进医疗仪器工程等方面均有理论设计创新，并在肿瘤的临床诊疗理论方面，具有重大意义，为阐明CTC的特性、生物学功能包括与肿瘤干细胞的关系、肿瘤迁移、休眠、复活、归巢等关键过程的调控机理，以及发展肿瘤转移的早期诊治手段奠定了坚实基础。

2、技术创新

作为一种先进的循环肿瘤细胞（CTC）检测与分析系统平台，本项目产品技术在免疫磁分离原理的基础上，做了很多技术上的创新，来提高捕获CTC的效率，并降低检测成本。本项目产品含有泵、微流体通道、血液存储器、采集器、微芯片等。可方便的使血液借助泵的抽吸通过微流体通道，同时依靠磁块产生的梯度磁场被采集到微芯片中的载玻片上，并可从微芯片中方便的取出载玻片，进行后期分析。

3、应用创新

通过研究循环肿瘤活细胞在前列腺肿瘤临床转移中的应用而揭示形成临床转移的机制。通过本项目的成功实施，有望为探索诊断肿瘤临床转移和治疗新策略提供理论依据和技术支持，对于发展肿瘤早期诊断和有效控制策略、消除恶性肿瘤对国民健康的巨大危害等具有重大科学及战略意义，使我国在该领域的研究水平跻身世界先进行列，部分达到世界领先水平。

 （三）CellRich^TM平台的特色和操作流程

美晶医疗CellRich^TM 系统是新一代检测循环肿瘤细胞（CTC）的生物芯片及集成系统，以高效捕获CTC细胞作为个性化诊疗依据，捕获的CTC细胞可做后续个性化用药基因检测、取代穿刺，实现精准用药。

1、 产品特色

● CellRich^TM构建基于纳米芯片技术的多场捕获循环肿瘤活细胞技术，是一种全新的CTC检测技术

● 与传统检测方式诸如CT、MRI、PET和病理穿刺相比，操作简便、无痛苦、无辐射污染。

● 与同类进口设备相比，美晶CellRich^TM系统可显著提高捕获效率，同时大大节约耗品用量

● 全自动标准化检测设备，统一染色和鉴定标准

2、 操作流程

本系统主要针对上皮来源型肿瘤细胞的抗原特性，应用特定的抗体磁微粒通过抗原抗体反应原理与外周血中的上皮来源型循环肿瘤细胞表达的EpCAM抗原簇相结合。待检样本中含上皮来源型循环肿瘤细胞时，抗体磁微粒与循环肿瘤细胞表达的EpCAM抗原簇相结合，被CellRich^TM免疫磁微粒捕获仪靶向捕获；待检样本中不含上皮来源型循环肿瘤细胞时，抗体磁微粒与循环肿瘤细胞表达的EpCAM抗原簇不结合，不被CellRich^TM免疫磁微粒捕获仪靶向捕获。利用免疫荧光染色对CellRich^TM免疫磁微粒捕获仪靶向捕获的循环肿瘤细胞进行鉴定和计数，实现检测结果的分析。”

3、临床意义

美晶医疗的CellRich^TM循环肿瘤细胞检测系统用于检测循环血中肿瘤细胞，包括转移性的乳腺癌、肺癌、结直肠癌、前列腺癌等多种肿瘤的血液检测。通过捕获分析血液中的循环肿瘤细胞, 实现以下功能：

● 动态监控及评估放化疗的疗效

● 监测手术后的病情进展及复发

● 针对休眠期癌症病人，及时发现肿瘤转移

● 为肿瘤基因检测提供血液肿瘤细胞样本

此外，该系统还适用于检测其他血液和体液中的具有免疫特性的微量细胞， 因此，应用前景十分广泛。

基于微芯片的自动化循环肿瘤细胞检测系统——CellRich™新型液体活检平台今天就暂时介绍到这啦！

结语

本文以循环肿瘤细胞的正向筛选为主介绍美晶医疗CellRich^TM循环肿瘤细胞检测系统的功能。其具备的扩展功能包括：通过对生物体液样本进行红细胞裂解处理，配合使用与白细胞、红细胞或血小板等特异性结合的免疫微珠等技术手段将循环肿瘤细胞之外的细胞进行去除，从而消除背景干扰对循环肿瘤细胞进行检测的技术手段。而此检测技术开发完成后，将与现有循环肿瘤细胞检测系统形成良好的互补和完善。

CTC的精准捕获以及生物活性保持是当前基于液体活检的精准医疗。基于微流体芯片的美晶医疗CellRich^TM系统具有集成性、高分辨率、分析速度快、高通量、物耗少和安全廉价等优点，提高了磁免疫检测的精确性、细胞捕获率和特异性，为国内首创的小型、便携、个体化的实时高效诊断平台。

作者简介

张晓晶博士，宁波美晶医疗技术有限公司董事长。入选国家第二批“万人计划” 科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，浙江省“千人计划”，美国医学和生物工程研究院院士（AIBME Fellow），获得美国国立卫生院（NIH）院长创新研究奖。毕业于美国斯坦福大学，回国创业前任美国著名常春藤盟校(Ivy League)之一的达特茅斯学院(Dartmouth College)正教授， 任生物医学微纳米型器件实验室主任。学术休假期间，曾任美国斯坦福大学访问教授，上海交通大学“王宽诚”讲席教授。

沈挺博士, 宁波美晶医疗技术有限公司总经理，入选浙江省“千人计划”。 作为主要项目及团队负责人开发的“新一代癌症血液检测生物芯片及系统”项目，获得了中国科技创业计划大赛项目组一等奖，中国首届创新创业大赛优秀企业奖，宁波市首批市“3315计划”海外高端创业创新团队最高奖A类，宁波市发明创新大赛奖，及国家科技部中小企业技术创新基金的立项。本科毕业于清华大学自动化系，2004年获美国斯坦福大学 (Stanford University)管理科学与工程博士学位。具备丰富的工程技术研究，高新技术产业化和国际化企业管理的经验与背景。善于团结带领团队，整合资源，带领公司不断创新，开拓业务。

关于宁波美晶医疗技术有限公司

宁波美晶医疗技术有限公司成立于2012年3月，公司拥有一支经验丰富、创新能力强的研发、生产管理和市场推广的人才队伍。公司主要开发“精准医疗”产品并提供相关服务。具体产品包括：

医疗器械方面：自主研发的“CellRich™”循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTC）检测系统及配套试剂，用于检测血液中的循环肿瘤细胞，进行诊断和监控癌症病情发展。该系统已有8项发明专利获得授权，20多项实用新型和软件著作权授权。项目填补了国内在CTC检测仪器方面的空白，获得了2014年“国家重点新产品”称号。作为同类别中的首创产品，美晶医疗也牵头制定了相关医疗器械分类标准（分类编码6841）。目前“CellRich™”系统已经在包括美国达特茅斯医学院及上海胸科医院在内的国内外多家知名医院投入使用。

检验服务方面：满足“精准医疗”对基因检测的需求，设立了美晶医学检验所，已获得医疗机构执业许可证书和临床PCR实验室资质。目前美晶医学检验所已开展临床细胞分子遗传学等检验服务，包括个性化用药基因检测，循环肿瘤细胞检测，疾病风险基因检测等多项业务。业务范围覆盖华东，华南地区，已在上海，杭州等地设立了区域营销中心。