麻省理工学院的工程师设计了一种肿瘤细胞计数的方法

发布日期：2022-04-12

计数肿瘤细胞

麻省理工学院的工程师首次开发出一种技术，使他们能够对肿瘤细胞进行计数并测量循环肿瘤细胞 (CTC) 的生成率和半衰期。来源：麻省理工学院 Jose-Luis Olivares

麻省理工学院的工程师设计了一种方法来计算小鼠体内难以捉摸的循环肿瘤细胞，从而使他们能够研究转移的动态。

随着肿瘤在器官内生长，它们也会释放进入血液的细胞。这些细胞可以传播到其他器官，播种称为转移的新肿瘤。

麻省理工学院的工程师现在已经开发出一种技术，首次让他们能够测量小鼠体内这些循环肿瘤细胞 (CTC) 的生成率。他们的方法还揭示了 CTC 在释放到血液中后能存活多长时间，可以帮助科学家更多地了解不同类型的癌症如何在体内传播。

“通过在实时计数 CTC 的同时在小鼠之间交换血液，我们可以直接测量 CTC 进入循环的速度以及清除它们需要多长时间，”David H. Koch 工程学教授 Scott Manalis 说在生物工程和机械工程系，科赫综合癌症研究所成员，该研究的高级作者。

使用他们的新系统，研究人员能够研究来自胰腺肿瘤和两种肺肿瘤的 CTC。

研究生 Alex Miller 和科赫研究所访问科学家 Bashar Hamza 博士 '20 是该论文的主要作者，该论文于 2021 年 9 月 28 日发表在Nature Communications上。

捕获稀有细胞

循环肿瘤细胞在患者中很少见：一毫升血液中可能含有 1 到 10 个这样的细胞。近年来，研究人员设计了捕获这些难以捉摸的细胞的策略，这些细胞可以产生大量关于患者肿瘤的信息，甚至可以帮助医生追踪肿瘤对治疗的反应。

“循环肿瘤细胞很有吸引力，因为你可以从血液中获取它们，它们为进入肿瘤提供了一个窗口。这比对肿瘤进行活检要容易得多，”Manalis 说。

血液交换技术

用于计算 CTC 生成率和半衰期的血液交换技术示意图。每只小鼠的循环系统表示为一个混合良好的红色球体 (CTC) 容器。学分：巴沙尔哈姆扎和亚历克斯米勒

在老鼠身上，CTC 更难找到，因为老鼠的血液只有 1 毫升多一点。Manalis 说，能够在小鼠中研究 CTC 可以帮助研究人员回答许多悬而未决的问题，例如这些细胞被肿瘤脱落的速度、它们在循环中存活多长时间以及它们播种新肿瘤的效率如何。

为了尝试回答其中的一些问题，Manalis 和他的学生设计了一个系统，可以让他们从患有肿瘤的小鼠身上取出血液，并将其注入健康的小鼠体内。通过一个单独的管子，来自健康小鼠的血液流回荷瘤小鼠。该系统包括两个细胞计数器（每只小鼠一个），用于检测和去除血液中的循环肿瘤细胞。

使用这种设置，研究人员可以在不到一个小时的时间内分析每只老鼠的所有血液。在确定荷瘤小鼠和健康小鼠血液中 CTC 的浓度后，他们可以计算出荷瘤小鼠中 CTC 的生成速率。他们还可以计算细胞的半衰期——衡量它们在被身体清除之前在血液中存活的时间。

研究人员与科赫研究所杰克斯实验室的成员合作，使用该系统研究患有三种不同类型肿瘤的小鼠：胰腺癌、小细胞肺癌和非小细胞肺癌。

他们发现这三种肿瘤的 CTC 半衰期相当相似，值从 40 秒到约 250 秒不等。然而，不同肿瘤类型之间的生成率显示出更大的变异性。众所周知，小细胞肺肿瘤具有侵袭性转移性，每小时可脱落超过 100,000 个 CTC，而非小细胞肺肿瘤和胰腺肿瘤每小时脱落少至 60 个 CTC。

以前依赖于从实验室培养的细胞系中注射肿瘤细胞的研究发现，这些细胞在血液中的半衰期只有几秒钟，但 Manalis 实验室的新结果表明，内源性 CTC 实际上持续时间更长比起那个来说。

产生转移

研究人员还表明，接受 CTCs 的健康小鼠后来发生了转移，即使只交换了几千个 CTCs。他们发现来自小细胞肺肿瘤的 CTC 在受体健康小鼠的肝脏中形成转移，就像它们在最初形成肿瘤的小鼠中一样。

“我们意识到，我们注射到健康受体小鼠体内的这些 CTC 开始生长并产生转移，几个月后我们就可以检测到，”Hamza 说。“观察到这一点令人兴奋，因为它验证了我们的血液交换技术也可用于在其天然血液环境中轻轻注射可行的 CTC 样本，而无需使用苛刻的体外技术对其进行富集。”

使用这种方法，研究人员现在希望研究不同的药物治疗如何影响 CTC 水平。“通过这个系统，我们可以查看 CTC 的实时浓度，因此我们可以进行药物治疗并查看它如何影响半衰期和生成率，”Miller 说。

研究人员还计划使用该系统研究其他类型的癌症，包括白血病和淋巴瘤等血癌。该技术还可用于研究其他类型细胞的循环动力学，包括中性粒细胞和自然杀伤细胞等免疫细胞。