【Nature子刊】香港中文大学毛传斌团队利用病毒灵活性，精准解析癌症亚型

2024年7月12日， 香港中文大学生物医学工程系毛传斌团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“T Harnessing virus flexibility to selectively capture and profile rare circulating target cells for precise cancer subtyping”的研究论文。本研究揭示了病毒修饰固体表面的机械特性，在分离稀有细胞（如CTC）方面的重要作用，包括靶细胞结合亲和力和减轻与非靶细胞（如 WBC）的非特异性相互作用。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50064-y#Sec1

研究背景

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基于亲和力的表面生物检测，如酶联免疫吸附检测 （ELISA） 和免疫磁隔离，在临床诊断、环境监测和药物筛选中，具有至关重要的意义。这些检测的初始阶段，取决于配体和受体之间的相互作用，决定了检测的亲和力。通过调整配体类型、密度、分布和构象等参数，科学界已经做出了相当大的努力，来增强结合亲和力。其中，非靶细胞或生物分子的非特异性吸附，会显著破坏检测性能。这是通过占据活性靶标结合位点，或阻碍表面信号转导而发生的。因此，迫切需要推进表面屏蔽策略。

M13噬菌体（也称为噬菌体）表现为一种纳米纤维样细菌特异性病毒，长度为880nm，直径为6nm。M13纳米纤维的表面，可以通过基因工程或化学修饰轻松定制。因此，将M13组装到支架中，已经在各种应用中，取得了显著的成功。包括组织再生疗法、传感、甚至能量收集。团队最近发现，M13噬菌体由于其摇摆运动，而能够加速液固界面的质量传递。

CTC起源于实体瘤并进入血液，在诊断肿瘤转移和评估预后方面，作为液体活检的靶标，具有重要前景。鉴于它们在血液中的稀有性，开发有效的基于亲和力的分离表面，势在必行。团队利用实验和模拟技术的混合，来展示适应性柔性M13噬菌体，在构建磁珠中的应用，形成可以紧密捕获CTC的可变形表面。这种设计，通过允许噬菌体扭曲，以最大限度地与CTC上的受体结合，并在熵上阻止WBC在该表面上结垢，来增强CTC的捕获。

简而言之，噬菌体侧壁上携带许多pVIII蛋白拷贝，使噬菌体修饰的珠子，能够提供充足的反应性位点，以呈现许多亲和配体。纳米纤维固有的柔韧性，使其能够自由扭曲，从而调整配体构型，使其与靶受体在CTC表面上的分布模式，最佳地对齐。此外，由于其低刚度和杨氏模量（其柔韧性的量化），M13噬菌体在流动溶液中，具有变形性。这种基于噬菌体的CTC捕获物理屏蔽策略，消除了对防污聚合物额外涂层的需求。通过这种物理屏蔽方法，植根于噬菌体结构的可变形表面，为构建高效和抗污的表面生物检测，提供了一条有前途的途径。

研究进展

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灵活的M13有助于更好地捕获CTC

通过将柔性Apt-M13纳米纤维，固定在Ni-IDA MB上，以锻造A-f-M13-MB，使用MCF-7作为模型MUC1 CTC，评估了其与CTC的结合亲和力。适应性强的CTC捕获A-f-M13-MB表面的CTC结合亲和力，显著增加了。此外，A-f-M13-MB表面的CTC结合亲和力，比将适配体直接固定在MBs（即A-MB）上形成的表面的亲和力，高出约19,200倍。这凸显了柔性Apt-M13噬菌体的关键作用。有趣的是，用其他刚性噬菌体，替换柔性Apt-M13噬菌体，导致A-r-M13-MBs（A 代表“适配体”，r 代表“刚性”）的CTC结合亲和力，大幅降低了22.8倍。很明显，Apt-M13的灵活性，是CTC结合亲和力增强的主要驱动因素。

为了更深入地研究M13的灵活性，在影响CTC群体和亲和力固体表面之间的粘附力方面的作用，团队进行了基于离心的细胞粘附检测。实验结果揭示了柔性M13的粘附力，至少比刚性M13高18%。这一结果再次强调，M13固有的灵活性，有助于实现与CTC受体的稳健结合。

为了更深入地了解，由于灵活性而增强的多价相互作用，团队采用了耗散粒子动力学（DPD），探索CTC和MB之间复杂的分子水平相互作用。在模拟中，构建了3种不同类型的MB，即A-MB、A-f-M13-MB和A-r-M13-MB。实验结果显示，CTC受体可以同时与大量适配体，相互作用。与其他两种MB类型相比，CTCs和A-f-M13-MB之间的相互作用，在能量上最有利。这归因于M13锚定的适配体和CTC受体之间的接触增加。

值得注意的是，M13噬菌体和适配体的自由度，在MB表面的CTC吸附时，受到限制。这种还原，增加了相互作用的熵项（-TΔS），从而对吸附产生了熵威慑作用。然而，鉴于特异性受体-适配体相互作用的明显强度，在吸附过程中，相互作用能量优于这些熵因子。

灵活的M13增强型CTC捕获性能。

Twisty M13有助于减少 WBC吸附

为了评估工程表面的防污性能，团队采用了人类伯基特淋巴瘤拉莫斯细胞，作为白细胞（WBC）的模型。实验结果显示，在孵化30分钟后，只有大约1,354个白细胞粘附在A-f-M13-MB上。与此形成鲜明对比的是，与A-r-M13-MB和A-MB结合的白细胞数量，分别高出7.5倍和8.9倍。相应地，基于离心的细胞粘附检测，揭示了A-f-M13-MBs的白细胞结合力，显著降低至8.64pN。值得注意的是，该力仅占观察到的A-r-M13-MB和A-MB结合力的1/3和1/6。

为了在分子水平上，更深入地了解这3个表面的不同防污特性，团队采用了DPD模拟。A-MB的RDF峰最高，而相互作用最低，从而使白细胞吸附在能量上，对A-MB最有利。另一方面，A-f-M13-MB和A-r-M13-MB的RDF峰和相互作用的能量几乎相同。这意味着白细胞吸附的能量概率相似。然而，当白细胞吸附到MB表面时，M13噬菌体和配体的自由度，都受到限制。重要的是，对于A-f-M13-MB，M13噬菌体和适配体的自由度都降低了；而对于A-r-M13-MB，只有适配体的自由度被削弱了。因此，A-f-M13-MB的熵项（-TΔS）高于A-r-M13-MB。熵项在决定相互作用自由能方面，比能量项更重要。这种动态，导致白细胞吸附在A-f-M13-MB表面上的熵优势，不如A-r-M13-MB。

柔性M13减少了白细胞的非特异性吸收。

研究结论

03

本研究揭示了病毒修饰固体表面的机械特性，在分离稀有细胞（如 CTC）方面的重要作用，包括靶细胞结合亲和力，和减轻与非靶细胞（如 WBC）的非特异性作用。病毒纳米纤维固有的柔韧性和可变形性，赋予固体表面自调节能力，从而通过能量驱动的过程，放大纳米纤维上的适配体，与靶细胞上的受体之间的多价作用。此外，与刚性纳米纤维相比，固体表面的这些柔性病毒纳米纤维，对非靶细胞的非特异性吸附，显著减少。这归因于熵驱动的机制，这是由于柔性纳米纤维，相对于刚性纳米纤维的自由度，损失更大。团队的方法，依赖于柔性病毒纳米纤维，优于基于防污聚合物的传统方法。因为它避免了与此类聚合物相关的潜在缺点，同时在固体表面，为靶细胞的特定配体识别，提供了必要的空间。这种基于噬菌体的策略，不仅引入了基于亲和力的固体生物检测；而且，还利用了对靶-配体相互作用的更深入的机理理解，从而提高了CTC分离的效率。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50064-y#Sec1