基于微流控的纳米细胞芯片，用于肺癌免疫治疗的精准预测

免疫疗法是临床上最具有前景的肿瘤治疗方式之一。该疗法采用PD-L1抑制剂等免疫检查点抑制剂（ICI），重新激活癌症患者体的免疫细胞，提高对肿瘤细胞的识别和清除能力。但在临床中，仅有部分患者能从免疫治疗中获益。大量研究表明，使用单一生物标记物，如PD-L1表达，并无法准确预测患者对ICI的反馈。临床常规组织活检方式，受限于取样位置和动态分析，无法提供足够精细的时空信息，也无法准确评估肿瘤的异质性，导致对肿瘤发生和免疫治疗过程中的细胞反应知之甚少。如何精准预测免疫治疗的疗效，成为了提高免疫治疗效率亟待解决的首要问题。

据麦姆斯咨询报道，针对该临床问题，北京航空航天大学常凌乾教授团队，与北京大学肿瘤医院吴楠教授、格拉斯哥大学Jonathan M. Cooper教授、北京机械设备研究所杨明珠研究员等合作，报道了一种循环肿瘤细胞（CTCs）捕获、原位培养和基因分析芯片系统，命名为“NICHE”。NICHE系统从PD-L1基因表达、肿瘤细胞响应免疫细胞的行为表型，对患者来源的循环肿瘤细胞进行划分，实现了肺癌患者对免疫疗法的精准预测，临床准确率（AUC值）达到90%以上。成果以“Genetic and phenotypic profiling of single living circulating tumor cells from patients with microfluidics”为题，发表在《PNAS》期刊上。该论文第一作者为北航医学科学与工程学院董再再（助理教授）、北航生物与医学工程学院汪于森硕士、北京大学肿瘤医院刘冰博士、上海市感染和免疫疾病科技创新中心徐高连教授。

图1. 循环肿瘤细胞（CTCs）捕获、原位培养和基因分析芯片系统NICHE，用于肺癌免疫治疗的精准预测与监测。

该纳米细胞芯片采用磁场和细胞尺寸，高效去除（> 93%）血样中的白细胞，并捕获循环肿瘤细胞使其形成单细胞阵列（>95%）。为了实现活循环肿瘤细胞内PD-L1基因的准确检测，研究者们设计了一种具有四面体结构的探针（DNAT），该探针的三条边上的识别序列分别用于识别3种不同的mRNA，通过不同的荧光标记，实现了PD-L1基因、内参GAPDH基因，以及循环肿瘤细胞鉴定基因的同时检测。DNAT探针具有良好的特异性，且能长时间抵抗核酸酶的降解。利用纳米电穿孔技术，该探针能在2秒内实现对95%以上细胞的递送，且细胞保持良好的活性（90%），与其他常规方法相比，纳米电穿孔技术展示出更高的递送性能（图2）。

图2. 在单个活细胞水平循环肿瘤细胞内PD-L1 mRNA的精准量化。

基因检测始终，循环肿瘤细胞保持良好的活性。通过与免疫T细胞的共培养，研究者们发现，部分肿瘤细胞在免疫抑制剂存在时，细胞形态发生了明显的变长，且细胞增殖行为被显著抑制（图3）。根据肿瘤细胞PD-L1的表达情况，研究者们划分出了PD-L1高表达与低表达的阈值；另外，根据肿瘤细胞与免疫细胞共培养的结果，研究者们划分出了肿瘤细胞形态发生变化的阈值。综合循环肿瘤细胞中PD-L1高表达（PD-L1high）且表型发生变化（PA+）的占比，该研究定义了一种新的指标，“NICHE指数”，用于预测癌症患者响应免疫疗法的疗效。

图3. 循环肿瘤细胞与免疫细胞共培养下发生形态改变。

为了评估NICHE在临床上预测免疫疗效的性能，该研究收集了80名非小细胞肺癌患者的外周血，通过在NICHE平台上的检测，证明了该平台捕获循环肿瘤细胞 并鉴定其基因和行为表型的能力（图4）。从方法对比结果来看，该研究提出的NICHE指数表现出高准确性，其AUC（0.906）明显高于目前临床上基于肿瘤组织中PD-L1表达细胞占比的标准参考方法（AUC=0.578）。此外，研究者们还对部分患者进行了长时间的用药监测，证实了NICHE在长期监测中的适用性。

图4. 采用NICHE系统对肺癌血样中的循环肿瘤细胞进行捕获与分析，并实现了患者免疫治疗的精准预测。

文章链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315168121

 

审核编辑：刘清