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劉磊團(tuán)隊在實驗室中制備多功能仿生柔性膜。課題組供圖

抓住它，早一步發(fā)出預(yù)警
癌細(xì)胞是一種變異細(xì)胞，有著容易轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散的特性，會經(jīng)由體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)或淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到身體其他部分。轉(zhuǎn)移過程中，循環(huán)腫瘤細(xì)胞會從腫瘤組織上脫落進(jìn)入血液中，如果能精準(zhǔn)捕獲到循環(huán)腫瘤細(xì)胞，就能比體檢中常規(guī)的腫瘤標(biāo)志物檢測更早一步地發(fā)出預(yù)警信號，發(fā)出提醒人體組織可能有癌變的風(fēng)險。

“循環(huán)腫瘤細(xì)胞非常稀少，僅僅占到正常血細(xì)胞的十億分之一;它也非常狡猾，有著不同的表面標(biāo)記物，這種表型異質(zhì)性意味著它會‘變裝’，一會穿上馬甲、一會帶上圍巾，很難識別。”劉磊告訴《中國科學(xué)報》，在臨床檢測中，由于循環(huán)腫瘤細(xì)胞稀有性和表面異質(zhì)性的特性，使得癌癥精準(zhǔn)檢測面臨極大挑戰(zhàn)。

抓住狡猾的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，是檢驗和鑒別腫瘤的第一步。目前，國際市場上已有納米磁珠技術(shù)，利用磁場回收的方式抓取循環(huán)腫瘤細(xì)胞。但是，這一技術(shù)有個嚴(yán)重的缺陷，循環(huán)腫瘤細(xì)胞被無數(shù)個納米磁珠抓到后，細(xì)胞會吞噬磁珠，很難得到活的腫瘤細(xì)胞，更無法進(jìn)一步分析里面攜帶著的寶貴的生物學(xué)信息。

他計劃設(shè)計個智能生物界面，明顯區(qū)別于磁珠，將功能性的東西修飾到界面上，“界面就像個靈敏的偵探，能夠準(zhǔn)確識別循環(huán)腫瘤細(xì)胞，伸出大手緊緊地抓住他們，同時又能夠按需釋放，將循環(huán)腫瘤細(xì)胞從界面上脫落下來，為下游分析提供基礎(chǔ)”。

結(jié)構(gòu)設(shè)計，受牙釉質(zhì)啟發(fā)
劉磊團(tuán)隊圍繞智能生物界面材料方向開展研究已有十年時間，近年來，從智能生物分子響應(yīng)性體系的開發(fā)到功能性生物界面的構(gòu)建，創(chuàng)建了具有動態(tài)生物活性的智能生物界面材料體系，用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞的特異性捕獲與分離。

“最開始，我們嘗試的是類似于玻璃片的石英片界面，但是石英片又大又脆，無法裁剪，使用極不方便。”論文第一作者、江蘇大學(xué)博士生白蒙起聯(lián)想到在前期研究中，團(tuán)隊曾做過一種多功能膜，用于修復(fù)口腔中的牙釉質(zhì)。受仿生牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，他們在實驗室中制作界面，一層無機(jī)物一層蠶絲蛋白，層層疊加變成一張膜。這種柔性膜結(jié)構(gòu)牢固，集化學(xué)(分子識別)、物理(微/納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))與機(jī)械(柔性)作用為一體，此外還性能穩(wěn)定、延展性好，拉伸應(yīng)變可以接近80%、拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到十幾個兆帕。

實驗顯示，在靶向肽和牛血清白蛋白的聯(lián)合作用下，柔性膜大大增強(qiáng)了捕獲異質(zhì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞的能力，并可通過先后添加果糖和谷胱甘肽程序化釋放細(xì)胞。與硬基質(zhì)材料相比，柔性膜表現(xiàn)出增強(qiáng)的細(xì)胞增殖和捕獲能力，多靶點的界面與單一靶點的界面設(shè)計相比，對溶液中異質(zhì)性腫瘤細(xì)胞捕獲能力提高一倍以上。“簡單地說，就是靠分子間作用力把循環(huán)腫瘤細(xì)胞牢牢抓在界面上，后期需要釋放的時候，又通過糖、酶、多肽等刺激剪斷這種聯(lián)系，把循環(huán)腫瘤細(xì)胞釋放出來。”白蒙起說。

臨床應(yīng)用，有限樣本準(zhǔn)確率為100%
人上皮生長因子受體2(HER2)是迄今為止被研究的比較透徹的乳腺癌基因之一。團(tuán)隊通過PDA(聚多巴胺)化學(xué)和多重可逆共價相互作用，將靶向腫瘤細(xì)胞表面生物標(biāo)志物“上皮生物標(biāo)志物”和“人上皮生長因子受體2(HER2)”的特異性多肽固定在膜表面，以簡單環(huán)保的方法制備了具有多重動態(tài)生物活性表面的TiO2納米管/絲素蛋白柔性膜。該柔性膜可以被任意裁剪定制成所需的片段進(jìn)行應(yīng)用。

這項研究工作也得到了江蘇省人民醫(yī)院、鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院的支持。在與醫(yī)院的臨床應(yīng)用中，TiO2納米管/絲素蛋白柔性膜可以從未經(jīng)處理的乳腺癌患者血液樣本中，捕獲具有不同表型(HER2+和HER2-)的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，以區(qū)別HER2高表達(dá)或低表達(dá)，輔助診斷患者為HER2陽性或陰性，為醫(yī)生提供重要術(shù)后監(jiān)測信息。并且，在有限的病人血樣中，通過雙盲實驗，依靠團(tuán)隊的實驗數(shù)據(jù)做出的診斷與依靠病人組織切片的免疫組織化學(xué)染色數(shù)據(jù)做出的診斷結(jié)果高度一致，檢測準(zhǔn)確率為100%。江蘇省人民醫(yī)院徐建教授評價，“這為今后癌癥患者的預(yù)后和癌癥患者的分子分型診斷提供了依據(jù)”。

目前，在劉磊的實驗室中，通過TiO2納米管/絲素蛋白柔性膜，一滴血的用量、半天時間，即可給出乳腺癌患者血樣的檢測結(jié)果，并給出是否為HER2陽性的分子分型診斷。劉磊也表示，隨著實驗樣本的增加，團(tuán)隊將在同樣界面上實現(xiàn)對不同類型的乳腺癌病理分型的全面快速檢測。

“不僅僅在檢測方面抓放循環(huán)腫瘤細(xì)胞，同時可以用特異性的形式把藥物修飾到界面上，在病理微環(huán)境的刺激下，定點釋放藥物，達(dá)到治療的效果。”劉磊期望，通過和臨床的進(jìn)一步結(jié)合，這種多功能仿生柔性膜可以進(jìn)一步優(yōu)化和拓展實用性，為患者提供無損傷、快速便捷的治療方案。(來源：中國科學(xué)報 溫才妃 吳奕)
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202309046

柔性復(fù)合膜捕獲異質(zhì)性循環(huán)腫瘤細(xì)胞的作用機(jī)理。課題組供圖

多功能仿生柔性膜實物圖和用其捕獲癌癥病人血液樣本中循環(huán)腫瘤細(xì)胞的操作過程的圖示，以及相關(guān)結(jié)果。課題組供圖

來源：《先進(jìn)材料》

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