本文介绍了一种利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PIPAAm）包被的微滤膜有效捕获活体循环肿瘤细胞（CTC）并实现温度响应性释放的实验方案。该方法可从患者血液中捕获CTC，并随后释放具有活性的CTC，用于后续的芯片外培养、分析与表征。
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本文内容
摘要
摘要
我们展示了一种基于尺寸捕获全血中可存活循环肿瘤细胞（CTC）的方法，并可将这些细胞从芯片上释放，用于后续分析和/或培养。该策略采用一种新型聚对二甲苯C（Parylene C）膜狭缝孔微滤器捕获CTC，并利用聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PIPAAm）涂层实现对捕获CTC的温度响应性活细胞释放。通过设计具有特定尺寸的狭缝孔结构，降低过滤过程中通常存在的剪切应力，从而实现对活细胞的捕获。尽管该微滤器具有较高的捕获效率，但细胞的释放却并不容易。通常，当采用反向流动或刮取细胞等方法时，仅有少量细胞能够被释放。这些上皮来源的癌细胞与聚对二甲苯C膜之间的强黏附作用主要归因于非特异性的静电相互作用。为克服这一问题，我们采用了PIPAAm涂层，并利用其温度响应性的界面特性，实现细胞从滤膜上的释放。血液首先在室温下进行过滤。当温度低于32 °C时，PIPAAm呈亲水性；随后将滤膜置于37 °C的培养基或缓冲液中，此时PIPAAm转变为疏水性，从而释放出通过静电作用结合的细胞。
引言
转移性疾病是导致大多数癌症死亡的原因。开发用于转移的预后和伴随诊断生物标志物，在癌症管理和治疗中至关重要。循环肿瘤细胞（CTC）在肿瘤扩散和转移过程中发挥核心作用。此外，由于CTC可作为易于获取的“液体活检”生物标志物，癌症患者外周血中的CTC已成为癌症生物标志物研究的“热点”。CTC已被充分验证为多种癌症（包括乳腺癌、前列腺癌和结直肠癌）中的预后生物标志物1-3。然而，CTC领域的最新进展表明，仅对这些稀有细胞进行计数在临床上的应用价值有限，这一点已在干预性临床试验中得到证实4。因此，迫切需要能够实现CTC分子和功能特征分析的技术。目前仅有少数技术可实现无抗原偏倚、具有活性的CTC捕获与释放，从而支持可靠的下游分子和功能分析5,6。这些微加工装置大多与微流控平台结合使用，因而受限于可处理的血液量，通常仅为2–4 ml7-10。在一次标准采血管（7.5 ml）的血液样本中，CTC属于极罕见事件，因此进一步减少可处理的血量将极大降低捕获和分离这些目标细胞的可能性。
我们开发了两种基于聚对二甲苯C（Parylene C）膜微滤装置的循环肿瘤细胞（CTC）捕获技术，利用肿瘤细胞体积较大而正常血细胞较小的尺寸差异来实现分离11,12。我们此前已报道过一种圆形孔径计数滤膜，并将其与一种经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的平台进行了比较，结果显示该微滤装置在癌症患者血液样本中CTC的捕获效率方面更具优势13,14。然而，圆形滤膜的一个局限性在于过滤前必须使用基于甲醛的固定剂。该步骤可保持细胞形态完整，使其能够耐受过滤过程中产生的剪切应力和压力。尽管可在芯片上直接进行细胞计数和分子分析13，但固定剂会妨碍对细胞进行功能特性表征。为克服这一限制，我们开发了一种狭缝孔径滤膜，可在无需预先固定细胞的情况下完成过滤（图1）。该狭缝孔结构（6 µm 宽 × 40 µm 长的狭缝孔）可实现肿瘤细胞的有效捕获，同时仅部分阻塞滤孔，从而允许其他血细胞自由通过，并避免因压力升高而导致细胞损伤甚至破裂15,16。狭缝孔滤芯由两片丙烯酸材料构成，将狭缝孔滤膜夹在上下两片之间，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）作为密封垫圈，确保装置密封不漏液14,15（图1）。
尽管狭缝孔滤膜的捕获效率较高（表1），但捕获的循环肿瘤细胞（CTC）是通过强烈的非特异性静电相互作用结合在聚对二甲苯C（Parylene C）膜上，而非通过细胞外基质（ECM）介导的黏附作用15。采用反向流动或细胞刮刀等方法均无法有效将细胞从滤膜上释放，或会导致细胞损伤和死亡。我们探索了一种非常规的使用聚异丙基丙烯酰胺（PIPAAm）来设计细胞释放策略的方法15。PIPAAm是一种具有可逆低临界溶解温度（LCST）相变特性的聚合物，当溶液温度达到32 °C时发生相变17。传统上，PIPAAm的这一特性已被广泛应用于组织工程领域。通常情况下，细胞在37 °C下于PIPAAm涂层表面培养，此时PIPAAm呈疏水状态；当培养温度降至32 °C以下时，PIPAAm涂层表面吸水变为亲水状态，细胞即可以片层形式脱落17,18。我们利用该热响应特性，在室温（低于32 °C）下进行过滤操作，随后将滤膜转移至维持在37 °C的培养基中，从而实现细胞释放。在此温度下，PIPAAm聚合物层转变为疏水状态，使静电结合的细胞得以释放15（图1）。
尽管温度响应法及其他方法已成功实现可存活循环肿瘤细胞（CTC）的捕获与释放19-21，但这些技术存在一个共同的关键潜在缺陷，即均依赖于基于抗原的原理进行CTC捕获。如先前研究所示，基于抗原的CTC捕获可能导致CTC分析出现偏差11,14。例如，许多基于亲和力的技术采用结合EpCAM的抗体来捕获CTC。然而，研究表明CTC表达EpCAM的水平存在差异，导致这些技术可能遗漏EpCAM低表达或EpCAM阴性的CTC。此外，当关注来源于非上皮组织的CTC时（如黑色素瘤和肉瘤背景下的CTC），此类技术也可能存在局限性。因此，开发一种能够在不引入抗原依赖性偏差的前提下实现可存活CTC捕获与释放的技术具有重要意义。
重要的是，微滤捕获装置完全基于尺寸分离，其释放策略不依赖于特定表面标志物的存在。我们认为，使用PIPAAm涂层的微滤装置将有助于加深对转移过程的理解，因为它能够有效且高效地捕获并释放循环肿瘤细胞（CTC），用于后续分析。这可能揭示新的分子靶点，为开发新型靶向全身治疗提供方向，同时也可提供一种易于监测的生物标志物，辅助癌症患者的临床管理。
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方案
伦理声明：为保护人类受试者的权利，血液样本的采集均在获得知情同意后进行，并经迈阿密大学机构审查委员会（IRB 20150020）批准的方案下实施。
注意：用于过滤以捕获循环肿瘤细胞（CTC）的血液应采集至EDTA管中，以防止凝固。
1. 用聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PIPAAm）包被微滤膜
- 称取PIPAAm，用正丁醇配制10% w/v溶液。使用涡旋振荡器混合，直至溶液澄清。
- 使用剪刀或锋利刀片将塑料显微镜载玻片裁剪成约12 mm × 12 mm的正方形。也可使用切片机。
注意：这些正方形将在旋涂过程中用作滤膜的支撑载体。 - 使用锋利的直边剪刀，将槽孔微滤膜晶圆裁剪成8 mm × 8 mm的正方形。
- 使用聚酰亚胺薄膜胶带将裁剪好的滤膜固定在步骤1.3中预先制备的塑料正方形上。胶带仅覆盖滤膜的边缘和角落，确保至少有7 mm × 7 mm的滤膜区域不被胶带覆盖。
图 2：PIPAAm 涂层用微滤装置的代表性示意图。 将 8 mm × 8 mm 的微滤膜放置在从塑料显微镜载玻片上切割而成的 12 mm × 12 mm 塑料方片上。使用聚酰亚胺胶带固定微滤膜，以便对 PIPAAm 进行旋涂。经参考文献15许可转载。请点击此处查看该图的放大版本。
- 将固定在塑料方片上的微滤膜放置到匀胶机的真空吸盘上。
- 设置匀胶机程序如下：启动，500 rpm 转速持续 10 秒，6,000 rpm 转速持续 60 秒，500 rpm 转速持续 10 秒，停止。
- 使用标准塑料移液管，取足量 10% w/v PIPAAm 溶液（按 1.1 步骤配制），均匀覆盖微滤膜表面，然后启动匀胶机。
- 完成涂覆后，将带有 PIPAAm 涂层的微滤膜从匀胶机上取下。储存期间保持滤膜与塑料方片连接。
注意：涂覆后的滤膜可在室温下保存最长 3 个月。
2. 带有PIPAAm涂层微滤膜的过滤盒组装
- 将仍固定在塑料方框上的PIPAAm包被微滤膜置于培养皿中，在室温下用1×PBS重新水化。加入1×PBS直至微滤膜完全浸没，静置5分钟。
- 水化步骤完成后，使用剪刀剪断聚酰亚胺薄膜胶带，将滤膜从塑料方框上取下。
注意：请注意滤膜哪一侧具有PIPAAm包被层。 - 将微滤膜组装至过滤夹具中，将微滤膜夹在顶部和底部丙烯酸部件之间，并用两片聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为垫圈/密封件。用夹子夹紧丙烯酸夹具，以固定滤膜并确保密封严密。
注意：PIPAAm包被层应朝上，以便在样品过滤时，细胞被捕获在滤膜的PIPAAm包被表面（图1）。
3. 通过微滤器捕获并释放循环肿瘤细胞的血液样本过滤
- 由于每种注射泵品牌都有其特定的用户界面，请参考泵的用户手册，将注射泵设置为流速75 ml/hr，并设定体积为20 ml。
- 将3 ml的McCoy's（商业可得）细胞培养基（通过添加10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素制备）预热至37 °C。
注意：培养基的选择应基于患者的癌症类型；若为模型系统实验，即将培养的细胞加入健康供体血液中，则使用该细胞常规培养所用的培养基。如不确定，请参考细胞购买公司提供的细胞培养指南或方法。 - 向7.5 ml血液样本中加入7.5 ml商业可得的Hank's平衡盐溶液（HBSS），并将稀释后的血液吸入一个25 ml注射器中。
注意：调整HBSS的体积，使血液样本以1:1体积比与HBSS稀释。例如，若使用10 ml血液，则需加入等体积的10 ml HBSS，以实现1:1稀释。 - 将过滤盒与注射器连接，并将其安装到注射泵上。在底部放置一个50 ml离心管用于收集穿滤液，然后启动泵。
注意：过滤过程大约需要10–12分钟。所有过滤步骤（包括步骤3.8）均应在常温（20–25 °C）下进行。 - 过滤完成后，断开过滤盒与注射器的连接，并注意记录哪一侧为上端，即细胞被捕获在PIPAAm涂层表面的一侧。将1 ml预热的培养基吸入一支新的注射器中。
- 将装有培养基的注射器重新与过滤盒连接，但此次连接过滤盒的底端，使滤膜的PIPAAm涂层表面背离注射器。
注意：此操作旨在通过施加轻柔的反向流，释放可能嵌入槽孔中的细胞。 - 将注射器重新放回注射泵上，并在过滤盒正下方放置一个小培养皿或6孔板。将流速设为100 ml/hr，然后启动泵。
- 使全部培养基通过滤膜，并将穿滤液收集至培养皿中。待所有培养基完全通过后，停止泵运行，并从泵上取下注射器和过滤盒。
- 将过滤盒与注射器分离，打开过滤盒以取出滤膜。将滤膜的PIPAAm涂层面向下放入之前用于收集反向洗脱液的同一培养皿中。加入剩余的预热培养基，并将培养皿置于设定为37 °C的培养箱中。
- 30分钟后，所有细胞将从滤膜上释放。然而，建议将滤膜在培养皿中保留长达24小时，以确保所有细胞完全脱落。
注意：也可将释放的细胞收集至微量离心管中，用于进一步的下游分析，如PCR、ELISA、Western Blot等。 - 培养24小时后，使用镊子小心取出微滤膜。
注意：此时滤膜可丢弃，因为细胞已从其表面完全释放。 - 使用1,000 µl移液器轻轻吹打培养基，使被捕获在滤膜上并释放至培养板中的红细胞和外周血单个核细胞（PBMC）重新悬浮。操作时应轻柔，避免使松散附着的癌细胞脱落。小心移除含有重新悬浮红细胞和PBMC的全部培养基，保留贴壁的癌细胞，并更换为预热至37 °C的新鲜培养基。
注意：若一次洗涤后仍有大量红细胞残留，可重复此步骤一次。
4. 循环肿瘤细胞活性评估
- 使用活/死细胞检测法评估培养的循环肿瘤细胞（CTC）的存活率8。
注意：市面上有多种活/死细胞检测试剂盒。强烈建议遵循试剂盒制造商提供的操作说明。有关本实验所用商业试剂盒的详细信息，请参见材料/试剂列表。
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结果
使用健康供体血液（在迈阿密大学IRB 20150020批准的方案下，经知情同意获取）并加入培养的癌细胞，该热响应性技术实现对可存活循环肿瘤细胞（CTC）的捕获、释放和回收效率分别为94% ± 9%、82% ± 5% 和 77% ± 5%（表1）15。相比之下，未涂层滤膜的释放和回收效率显著较低（释放效率为7% ± 1%，回收效率为6% ± 1%）（表1）15。为评估从滤膜释放的CTC的存活能力，将约1,000个SK-Br-3细胞加入7.5 ml健康供体血液中，通过PIPAAm涂层狭缝滤膜过滤，并采用上述方法进行释放。通过活/死细胞染色实验评估细胞在加入血液前及释放后的存活率。加样前细胞存活率为98%（计数602个细胞中存活592个），从血液中捕获并释放的细胞存活率为95%（计数567个细胞中存活540个）15（图3A）。同时，将血液样本过滤后捕获并释放的细胞在McCoy's 5A培养基中进行培养，并在第3天...
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讨论
从全血中捕获具有活性的循环肿瘤细胞（CTC）并将其从微滤膜上释放的过程相对简单，但仍有几个关键点值得注意。与所有细胞培养操作一样，整个过程必须保持无菌条件。使用聚异丙基丙烯酰胺（PIPAAm）对滤膜进行包被是至关重要的初始步骤，因为该技术释放细胞的基础正是利用PIPAAm的温度响应性界面特性。为确保滤膜被有效包被，应在显微镜下测量包被前滤膜上一个孔隙（狭缝孔的宽度和长度）的尺寸，包被后再重新测量一次孔隙尺寸。包被后，孔隙的宽度和长度均应减小约1 µm（图4）。如前所述，尽管该狭缝滤膜在高效捕获CTC的同时也会捕获一些较大的外周血单个核细胞（PBMC），但这些细胞为非贴壁细胞，因此在步骤3.13中会被去除，仅留下贴壁的癌细胞（图5）。
如果需要过滤不同体积的血液，或血液黏度极高的情况下，可能需要对方案进行少量调整。如方案中所述，必须将血液与HBSS按1:1比例稀释。不同患者的血液黏度存在差异，但大多数情况下不会影响过滤效果。然而，在某些情况下，血液黏度过高或存在较大血凝块时，注射泵将无法推动血液通过滤膜。此时建议停止...
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披露
本工作的部分内容已在美国临时专利申请号62/219,808下受到保护。Siddarth Rawal 是 Circulogix Inc. 的股东，该公司商业生产本文所用的滤膜及滤膜盒/滤筒。
致谢
我们感谢所有为支持本研究工作而捐献血液样本的患者。感谢 Giuseppe Giaconne 博士、Ritesh Parajuli 博士和 Marc E. Lippman 博士在临床样本获取过程中提供的帮助，感谢 Carmen Gomez 博士、Ralf Landgraf 博士、Stephan Züchner 博士、Toumy Guettouche 博士和 Diana Lopez 博士富有见地的讨论。Zheng Ao 感谢 Sheila 和 David Fuente 癌症生物学研究生项目以及 Sylvester 综合癌症中心提供的部分支持与协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 槽式滤器 | Circulogix Inc. | MSF-01 | 提供不同规格的滤器，适用于从血液或尿液中过滤循环肿瘤细胞（CTC）（www.circulogixinc.com） |
| 聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PIPAAm） | PolySciences Inc. | 21458 | 非危险品。室温保存。 |
| 1-丁醇 | Sigma Aldrich | B7906 | 应在通风良好的环境中使用 |
| 塑料显微镜载片 | Cole-Parmer | 48510-30 | 任何塑料载片，或其它类型的方形材料（如金属、亚克力等）均可使用，只要能够固定住8 mm × 8 mm的滤膜方片 |
| 旋涂仪 | Specialty Coating Systems | SCS G3 Spin Coater | 仪器设备 |
| 聚酰亚胺胶带 | Uline | S-7595 | 聚酰亚胺是Kapton胶带的通用名称，可从多个供应商处购买（如Amazon、Kaptontape.com） |
| HBSS-亨克氏平衡盐溶液 | Gibco | 14025-092 | |
| 1× PBS | Gibco | 10010-023 | |
| Falcon 35 × 10 mm 培养皿 | VWR | 25373-041 | |
| 微滤器盒 | Circulogix Inc. | FC-01 | 可根据从血液或尿液中过滤循环肿瘤细胞（CTC）的需求定制滤芯 |
| 20 ml 注射器 | BD Scientific | 302830 | |
| 注射泵 | KD Scientific | 78-0100V | 任何能够容纳25 ml注射器的注射泵均可使用 |
| Cellstar 50 ml 离心管 | VWR | 82050-322 | |
| Greiner Bio One 6孔板 | VWR | 89131-688 | 任何品牌均可使用，只要表面适合细胞黏附且不具抗性 |
| SKBR3 细胞 | ATCC | HTB-30 | |
| 活/死细胞检测试剂盒 | Life Technologies | L3224 | 任何能够合理评估活细胞数量的检测方法均可使用 |
| 细胞培养孵箱 | VWR | 98000-368 | 任何可用于细胞培养的孵箱均可满足需求 |
参考文献
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