崭新方法!五分钟内识别胃癌细胞

香港城市大学(香港城大)科学家领导的联合研究团队近日成功研发出崭新方法,只需数分钟就可识别出胃癌细胞。此方法既快速又具高灵敏度,有望加快医护人员对胃癌的诊断。

研究团队由香港城大协理学务副校长(大学策略)兼机械工程学系生物医学工程讲座教授李文荣教授领导。他们的研究成果已于科学期刊《科学进展》(Science Advances)上发表,题为〈Detection and isolation of free cancer cells from ascites and peritoneal lavages using optically induced electrokinetics (OEK)〉。

李教授说:“在全球因癌症而死亡的数字中,胃癌是主因之一,我们的研究就是旨在减低胃癌的死亡人数。”

全球每年约有80万人死于胃癌,在癌症中是第三大“杀手”。由于早期的胃癌一般并无症状,因此大多数患者被诊断出患上胃癌时,已经多为晚期。而在晚期胃癌的病例中,腹膜转移(peritoneal metastases)是最常见的癌症扩散模式之一。但碍于目前的诊断方法缺乏灵敏度,因此难以及早诊断出腹膜转移。

现时一般临床的做法是进行腹水(即腹腔内异常积聚的液体)和腹腔灌洗(一种通过灌洗腹膜腔而取得组织的入侵性测试)的细胞学检查,以检测出癌细胞。然而,这些方法灵敏度不足,无法于大量细胞中识别出数目很少的癌细胞,而且检测过程牵涉细胞的染色,既耗时又令细胞死亡,不能用作进一步的检查。

应用OEK方法 分离癌细胞

李教授多年来一直探索利用光诱导电动力学(optically induced electrokinetics, OEK)作为检测和分离癌细胞的替代方法。他说:“这是首次成功地运用OEK这个方法,从病人腹水样本中,快速分离出胃癌活细胞。”

OEK方法是一种与“芯片实验室”(lab-on-a-chip)系统融合的新技术,令研究人员能够在微米级和纳米级的生物工程环境中进行操控。经腹腔灌洗提取的胃癌细胞与腹膜细胞的大小不同,OEK的机制就是利用这个差异识别两者。癌细胞比腹膜细胞大,相比之下具有更高的细胞膜电容(cell membrane capacitances)。

研究人员在实验中先将病人的腹水样本注入OEK微流控芯片中,然后将可移动的图案用光投射到芯片上,受照射的范围的电导率便会提升。因此,该可以移动的光图案实际上成为芯片表面上可移动的电极。下一步是在芯片上施加交流电压,令溶液中产生可控兼且能够移动的非均匀电场。就是这样,研究人员可以通过施加OEK来操控细胞。

崭新方法!五分钟内识别胃癌细胞

研究人员先将病人的腹水注入OEK微流控芯片中,然后透过移动光图案来分离癌细胞,既快速,又无需标志物。(图片来源:DOI: 10.1126/sciadv.aba9628)

以“磁铁”拖移癌细胞

李教授解释说:“鉴于细胞膜电容的差异,光图案会如磁铁一样吸引癌细胞,而腹膜细胞则会被排拒。”于是研究人员可以透过移动光图案,来“拖移”被吸引着的癌细胞到与芯片相连的胶管,以便将癌细胞收集,成功地将癌细胞自腹水分离出来。

此新方法既快速,又无需标志物,因而显得相当吸引。事实上,这新方法于五分钟内,已经可以在OEK微流控芯片上分离出胃癌细胞。李教授说:“传统方法一般要六、七个小时才能识别出癌细胞,OEK方法则快速得多。”

崭新方法!五分钟内识别胃癌细胞

图中左边的计算机用以控制OEK系统内的光图案,而光图案会被投射到图片右方的微流控芯片上。

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检测更快及具更高灵敏度

另一方面,OEK方法灵敏度亦更高。李教授补充说:“我们运用这个方法,在六个病人的腹水样本中,成功把胃癌细胞从其他细胞里分离出来,成功率为71%。”而在灵敏度的相关测试中,团队亦成功在比例为1比1000的情况下,将癌细胞与腹膜细胞分离。

李教授说:“这研究有赖位于沈阳的中国医科大学附属第一医院的医生和病人的帮助。医护人员亦对研究结果留下深刻印象。医院的研究人员都希望继续与沈阳自动化研究所(Shenyang Institute of Automation, SIA)及香港城大进行这项以OEK为本的研究,期望这个方法他日能作临床应用。”

适用于接受过不同疗程的病人

研究团队用接受过不同疗程的病人的样本进行测试,实验结果表明,他们的系统适用于检测疗程各异的病人的腹水细胞,显示系统将来大有潜力作广泛临床应用。研究团队还量度了细胞膜电容,或可用作胃癌细胞生物标志物,李教授说︰“希望我们的研究能够加快医护人员对胃癌的诊断,以挽救生命。”

李教授身兼中国科学院(Chinese Academy of Sciences, CAS)沈阳自动化研究所的客座研究员。数年前他先于香港城大建立OEK系统,随后在中科院-裘槎基金会联合实验室资助计划的支持下,他将该系统引进由香港城大与SIA在沈阳共同建立的联合实验室中,并于该实验室进行了与今次研究相关的实验。

崭新方法!五分钟内识别胃癌细胞

李文荣教授于香港城大建立了OEK系统。

李教授、来自中国医科大学附属第一医院的王振宁教授,以及来自SIA的于海波博士是论文的通讯作者。论文第一作者分别是李教授于SIA的博士生章昱昭,和中国医科大学附属第一医院的赵俊华。其他研究团队成员来自沈阳建筑大学和国立清华大学。

这项研究获得国家自然科学基金会、国家重点研发计划和香港研究资助局等的资助进行。[来源香港城市大学]

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