基于温敏磁性水凝胶材料对循环肿瘤细胞的保存及机制研究

Circulating tumor cell (CTC)-based liquid biopsy assays are the breakthrough technology for cancer screening and personalized testing of drug efficacy, but the current preservation method of whole blood specimen suffers from the easy damage of CTC, which can influence the test results. How to prevent the CTC anoikis induced by loss of extracellular matrix (ECM) and the direct contact of interference cells with CTC causing CTC dysfunction, is very important to preserve CTC in blood specimen. We propose to design the zwitterionic hydrogel materials with double thermosensitive transition points and magnetic response, and use the thermosensitive property to control the assembly of materials to mimic ECM. The assembly can not only preserve CTC at ambient and refrigerated temperatures, but also prevent the direct contact of CTC and interference cells, and thus prevent the dysfunction of CTC. Then, we use the magnetic response to control the separation of materials, and cells in blood specimen can be easily retrieved for detection. Finally, we study the concrete mechanism of CTC preservation using ECM mimic. This proposal can break through the bottleneck of current liquid-based preservation for blood specimen. We believe that this proposal can provide the important theory basis and key technology for liquid biopsy assays.

基于循环肿瘤细胞（Circulating tumor cell, CTC）的液体活检是当前癌症早筛、实时疗效检测的突破性技术，但现有血液样本保存方法易导致CTC受损，进而影响CTC检测结果。如何抑制CTC脱离细胞外基质（Extracellular matrix, ECM）触发的失巢凋亡、避免干扰细胞直接接触CTC导致其功能受影响，是保存血液样本中CTC亟需解决的关键问题。本项目拟设计合成双温敏和磁响应的两性离子水凝胶材料，利用温度控制材料组装堆积模拟ECM，实现在常温与冰箱冷藏温度下CTC的保存，同时实现干扰细胞与CTC的接触隔离，以阻断其对CTC功能的影响；而后，利用磁响应分离水凝胶材料，实现快速回收血液样本中的细胞以用于CTC检测分析；最后，系统研究ECM模拟物对CTC寿命延长的具体机制。本项目突破目前血液样本基于溶液保存的技术瓶颈，可望对液体活检提供重要基础理论和关键支撑技术。

基于循环肿瘤细胞（CTC）的液体活检技术可从人体外周血中富集CTC，实现癌症的早期筛查与实时监测，被《麻省理工科技评论》评为2015年度十大突破性技术之一。然而，由于物流通勤的限制，采集的外周血样本通常需要2至5天后才能检测。在此期间，离体血样会在短时间内发生不可逆的降解，为后期CTC的富集和生物学信息的采集造成障碍。大量实验数据表明，室温下离体外周血中的CTC会在5小时内凋亡60%以上，而其RNA等遗传物质则会在2-4小时内出现显著性降解；4℃下，12小时内，也将有79%的CTC出现RNA降解。目前唯一被FDA认证的CTC检测平台CellSearch，选择利用化学交联剂固定方法保存全血样本，但却会导致CTC内蛋白质、基因物质等不可逆的变性。在低体温（1-35℃）条件下，溶液保存法对含循环肿瘤细胞的血样保存是一种极具潜力的保存方式。但由于低温和各类细胞沉降聚集相互接触等因素严重干扰了循环肿瘤细胞的功能，在保存3天内后细胞存活率不足17%。.为此，本项目拟利用具备ROS清除功能的3D超亲水材料，在模拟细胞外基质（ECM）的同时减少ROS损伤，以实现全血样本中CTC的长期高效保存。由于两性离子水凝胶的超亲水和抗生物黏附性质使其广泛应用于ECM模拟研究中；硼酸酯键的ROS清除性能和自愈合性能使其应用于ROS响应和自愈合材料中基于上述两种材料，因此本项目制备了由两性离子和硼酸酯键为主要成分的磁性凝胶颗粒，利用其组装成的自愈合三维网络水凝胶体系对含有CTC的乳腺癌病人全血进行了长期低体温保存。利用该体系对20个含有CTC的乳腺癌病人全血样本进行了7天的保存后，结果表明，相较于商业保存液（3天，＜25%的CTC存活率，不足75%的基因完整性），新型磁性水凝胶保存体系实现了血液样本中CTC的长期高效保存（7天，＞65%的CTC存活率，约100%的CTC基因完整性）。