循环肿瘤细胞（CTCs）是肿瘤发生、进展和预后监测的关键指标，但高灵敏度和高纯度捕获CTCs仍然是一大挑战。此外，原位捕获和同步清除有望成为阻止肿瘤转移的方法，但还需要进一步探索。
近期，吉林大学董彪教授团队联合吉林大学第一医院刘海鹏副教授团队，提出了一种结合磁性纳米粒子和倒置微流控芯片的技术，有效提高了CTCs捕获效率和纯度，并能对其进行原位灭活，为预防肿瘤转移提供了新策略。相关研究以“Combining hybrid cell membrane modified magnetic nanoparticles and inverted microfluidic chip for in situ CTCs capture and inactivation”为题目，发表在期刊《Biosensors and Bioelectronics》上。
本文要点：
1、本研究设计了一种生物模拟细胞膜包覆的磁性纳米颗粒（NPs），以解决血液循环中免疫系统对捕获探针的非特异性吸附问题。
2、通过提取人乳腺癌细胞膜（TM）和白细胞膜（WM），形成混合膜（HM），并将其修饰在载有吲哚菁绿（ICG，光敏剂）的多孔磁性NPs表面。
3、掺入TM增强了材料的靶向特异性，提高了捕获效率，而WM涂层减少了同源白细胞（WBC）的干扰，进一步提高了捕获纯度。
4、结合新型倒置微流控芯片，首次使用聚合物光子晶体作为CTCs捕获界面。除了为CTC附着提供有利的表面结构外，808nm光子带隙还可有效放大捕获表面位置处的808nm激发光。
5、在捕获CTCs后，探针中的ICG分子促进增强的光热（PTT）和光动力（PDT）协同效应，直接灭活捕获的CTCs。
6、这种方法实现了超过95%的捕获效率和纯度，并可原位灭活CTCs，为抑制肿瘤转移提供了新思路。
循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTCs）是从实体肿瘤中脱落并进入外周血液循环的肿瘤细胞。它们在肿瘤转移过程中起关键作用，是肿瘤从原发部位扩散到其他器官的重要环节。CTCs的研究在癌症领域具有重要意义，主要体现在以下几个方面：
1、肿瘤监测和诊断：CTCs的存在和数量可以作为肿瘤发生、进展和复发的生物标志物，为癌症的早期诊断和预后评估提供重要信息。
2、转移机制研究：CTCs是肿瘤转移的关键环节，通过研究其特性和行为，可以深入了解癌症转移的分子机制，从而为抑制转移提供新策略。
3、个性化治疗：通过分离和分析CTCs，可以获得患者肿瘤的分子信息，帮助制定个性化治疗方案，提高治疗效果。
4、实时监测治疗效果：CTCs数量的动态变化可以实时反映治疗的效果，为治疗方案的调整提供依据。
总之，CTCs在癌症的发生、进展和治疗中扮演着重要角色，是癌症研究和临床应用中的关键生物标志物。
倒置微流控芯片在CTCs捕获和灭活中的作用机制如下：
倒置设计与磁场协同：芯片采用倒置设计，经磁性纳米颗粒标记的CTCs在外部向上磁场的作用下上升并被捕获在芯片表面，而白细胞等其他细胞则因重力和流体剪切力作用而下沉，最终从芯片中排出。
磁性纳米颗粒与混合膜技术：磁性纳米颗粒由肿瘤细胞膜（TM）和白细胞膜（WM）融合形成的混合膜（HM）包覆，增强了对CTCs的靶向性，同时减少了白细胞等背景细胞的非特异性吸附，从而提高了捕获效率和纯度（均超过95%）。
光子晶体结构的应用：芯片表面引入了具有808 nm带隙的聚合物光子晶体（OPC）层。该光子晶体结构不仅提供了有利的表面结构以增强CTCs的附着，还通过光子带隙效应放大了808 nm激发光信号，并延长其在捕获表面的作用时间，从而显著增强了光热（PTT）和光动力（PDT）的协同效应。
图1.CTC捕获平台示意图。制备Fe3O4-ICG@HM纳米平台用于高效分离和检测稀有CTCs。WM和TM融合为HM，然后涂覆在Fe3O4-ICG上。在用纳米复合材料标记后，将CTC注入具有倒置捕获表面和外部磁体的微流控芯片中。使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进行实时捕获和原位PDT/PTT。
图2.A）磁性纳米颗粒的合成工艺；B）Fe3O4和Fe3O4-ICG@HM的TEM图像；C）Fe3O4的XRD分析；D）Fe3O4-ICG、ICG和Fe3O4的FTIR光谱；E）WM、TM、WM和TM的混合物以及融合的HM的CLSM图像。比例尺=50μm；F）SDS-PAGE用于蛋白质分析，1）WM，2）TM，3）HM，4）Fe3O4-ICG@HM；G）Fe、S元素的相应能量色散X射线（EDX）图和Fe、S、O、Na、N元素的混合图像；H）与MCF-7细胞孵育3小时的融合HMs的CLSM图像。细胞核、TM和WM分别用Hoechst（蓝色）、DiO（绿色）和DiI（红色）标记。比例尺=100μm。
图3.A-B）近红外辐照（808nm，1.0W/cm2，10min）下水、Fe3O4、ICG、Fe3O4-ICG和Fe3O4-ICG@HM的温度升高；C）近红外辐照（808nm，1.0W/cm2，10min）下，不同浓度Fe3O4（ICG浓度固定为10μg/mL）的温度升高；D）近红外辐照（808nm，1.0W/cm2，10min）下，不同浓度ICG（Fe3O4浓度固定为100μg/mL）的温度升高；E）随着近红外辐照率的变化，ICG浓度为10μg/mL和Fe3O4浓度为100μg/mL时的温度升高；F）Fe3O4和Fe3O4-ICG在重复激光照射和冷却试验中的温度变化曲线；G）Fe3O4、ICG、Fe3O4-ICG和Fe3O4-ICG@HM产生的ROS的CLSM图像。比例尺=100μm；H）ROS指示剂DPBF与不同浓度ICG混合在10min近红外辐照（808nm，1.0W/cm2）下的紫外-可见吸收变化；I）在不同时长的近红外辐照（808nm，1.0W/cm2）下，ROS指示剂DPBF与Fe3O4、ICG和Fe3O4-ICG混合的紫外-可见吸收变化。
图4.A）与DiI标记的Fe3O4-ICG@HM（Fe3O4-ICG@HM浓度为100μg/mL）孵育2小时后，MCF-7、RAW264.7、B16和L929细胞的CLSM图像。比例尺=150μm；B）与Fe3O4-ICG、Fe3O4-ICG@WM、Fe3O4-ICG@TM和Fe3O4-ICG@HM孵育的MCF-7、RAW264.7、L929细胞的明场图像。比例尺=100μm；C）与Fe3O4-ICG@WM、Fe3O4-ICG@TM和Fe3O4-ICG@HM孵育的MCF-7细胞的流式细胞术分析。设置空白组作为对照；D）与Fe3O4-ICG@WM、Fe3O4-ICG@TM和Fe3O4-ICG@HM孵育的RAW264.7细胞的流式细胞术分析。设置一个空白组作为对照。
图5.A）倒置微流控芯片捕获CTCs的示意图。以及CTCs隔离的工作站设置。使用注射泵将样品连续泵入芯片；B）将OPC放置在玻璃上，然后将ICG滴在其上，建立空白对照组（不含OPC的玻璃），并通过光场NIR成像系统成像；C）在近红外辐照（808nm，1.0W/cm2，10分钟）下，有OPC和没有OPC的吸光度随时间变化；D）在近红外辐照（808nm，1.0W/cm2，10分钟）下，有OPC和无OPC的温度升高；E）微流控芯片上OPC结构的SEM图像。以及OPC的透射率。808nm附近的最低透射率表明808nm的光在OPC的表面上被多次反射；F）OPC捕获表面在底部，没有磁铁；G）OPC捕获表面设置在底部，下方有磁铁；H）OPC捕获表面朝上，上方有磁铁。捕获细胞以及通道中混合物的CLSM图像。比例尺=100μm。
图6.A）用不同浓度的Fe3O4-ICG@HM孵育的MCF-7细胞的CLSM图像。比例尺=150μm；B）MCF-7细胞和RAW264.7细胞通过芯片前的流式细胞术分析；C）RAW264.7细胞通过芯片后的流式细胞术分析；D）芯片上捕获的MCF-7细胞的流式细胞术分析；E）OPC捕获表面上捕获的细胞的SEM图像；F）捕获表面上灭活的捕获CTCs的示意图；G）不同浓度Fe3O4-ICG@HM处理MCF-7细胞的捕获效率；H）与Fe3O4-ICG@HM孵育不同时间的MCF-7细胞的捕获效率；I）在微流体芯片内与CLSM一起进行的原位PDT/PTT。比例尺=50μm。用808nm激光照射捕获的细胞10min。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116575
