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循环肿瘤细胞（CTCs）无标记高通量分离技术：Labyrinth微流控装置的开发与应用

作者及机构
本研究由美国密歇根大学（University of Michigan）的Eric Lin、Lianette Rivera-Báez、Shamileh Fouladdel等共同完成，通讯作者为Max S. Wicha和Sunitha Nagrath。研究成果于2017年9月27日发表在期刊《Cell Systems》（Volume 5, Pages 295–304）上。

学术背景

研究领域与动机
循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTCs）是癌症转移研究的关键对象，但其在血液中的稀有性（每毫升血液中仅1-10个）和异质性（heterogeneity）使得分离和分析面临巨大挑战。传统方法依赖上皮细胞黏附分子（EpCAM）的抗体捕获，但约50%的CTCs因上皮-间质转化（EMT）丢失EpCAM表达，导致漏检。此外，现有技术存在通量低、纯度不足或操作复杂等问题。因此，本研究旨在开发一种无标记（label-free）、高通量（high-throughput）的微流控技术，实现CTCs的高效分离与单细胞分子分析。

研究目标
1. 设计新型微流控装置“Labyrinth”，通过惯性流体力学（inertial microfluidics）实现CTCs与白细胞（WBCs）的物理分离；
2. 验证其在乳腺癌和胰腺癌患者血液样本中的适用性；
3. 揭示CTCs的分子异质性（molecular heterogeneity），尤其是癌症干细胞（CSCs）相关亚群的特征。

研究流程与方法

1. Labyrinth装置设计与原理
- 核心结构：装置由11个环形“回路”（loops）和56个直角“拐角”（corners）组成，通道总长637 mm，宽500 μm，高100 μm。
- 分离机制：
- 惯性升力（inertial lift force, Fz）：大细胞（如CTCs）受更强的惯性力，更快聚焦至平衡位置（Equation 1）；
- 迪安流拖曳力（Dean drag force, Fd）：拐角处的高曲率增强迪安涡流，推动小细胞（如WBCs）迁移（Equation 2）。
- 平衡方程（Equation 3）：通过调节曲率比（δ = 通道水力直径/曲率半径），实现CTCs与WBCs的流线分离（图1）。

2. 性能优化与验证
- 细胞系测试：在2.5 mL/min流速下，对乳腺癌（MCF-7）、胰腺癌（PANC-1）等细胞系的回收率>90%，WBC去除率>89%（图2a）。
- 双级联Labyrinth：串联两个装置使WBC污染降低两个数量级（663 WBCs/mL），纯度显著优于同类技术（图2f-g）。

3. 临床样本分析
- 胰腺癌患者（n=20）：平均检出51.6 CTCs/mL，53%的CTCs同时表达上皮（CK-19）和间质（ZEB1）标志物，显示EMT异质性（图3a-b）。
- 乳腺癌患者（n=56）：单级联与双级联分别检出9.1 CTCs/mL和5.4 CTCs/mL，其中47.7%的CTCs为EpCAM阴性（图3c-h）。

4. 单细胞基因表达分析
- 96基因panel：通过Fluidigm Biomark HD系统分析31个CTCs，发现四类亚群：
- CK CTCs（仅表达细胞角蛋白）；
- EMT CTCs（高表达CD44、Vimentin）；
- MET CTCs（高表达ALDH1A3、E-cadherin）；
- Dual CTCs（兼具EMT/MET特征）（图4）。
- 主成分分析（PCA）：CTCs与WBCs的基因表达谱显著分离（图4b,d）。

主要结果与逻辑关联

1. 装置性能：高回收率与纯度支持后续分子分析（图2→图3）；
   
2. 临床验证：胰腺癌CTCs的KRAS突变检测（图S3）与乳腺癌CTCs的EpCAM阴性比例（图3g）证实技术无偏性；
   
3. 异质性解析：单细胞测序揭示EMT/MET过渡态CTCs（图4），为转移机制提供新证据。

结论与价值

科学意义
- 首次通过纯物理方法实现CTCs的无标记分选，克服了抗体依赖技术的局限性；
- 揭示了CTCs中CSCs亚群的动态转化，为转移“干细胞假说”提供临床数据支持。

应用价值
- 液体活检：适用于早期检测、治疗监测及耐药性研究；
- 技术扩展性：可与单细胞基因组学、数字PCR等技术联用（如DepArray、ddPCR）。

研究亮点

1. 创新设计：Labyrinth结合长回路与锐角结构，优化惯性/迪安力平衡；
   
2. 临床实用性：20 mL血液处理仅需30分钟，适合大规模筛查；
   
3. 分子发现：单细胞水平证实CTCs的EMT/MET可塑性（plasticity）。

其他价值

• 方法学开源：详细公开装置参数（如曲率比、流速）供同行复现；
  
• 跨癌种适用性：已验证于乳腺癌、胰腺癌、肺癌等多种实体瘤。
  

（注：所有术语首次出现时标注英文，如“上皮-间质转化（EMT）”；数据引用原文图表编号。）