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針對該臨床問題，北京航空航天大學(xué)常凌乾團隊報道了一種新型納米醫(yī)療芯片，可以快速檢測肺癌循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）內(nèi)PD-L1基因表達、以及腫瘤細胞響應(yīng)免疫細胞的行為表型；進一步對患者來源的CTCs進行亞群劃分，依此預(yù)測肺癌患者對免疫療法的治療效果。與傳統(tǒng)組織活檢技術(shù)相比，臨床準(zhǔn)確率（AUC值）由57%顯著提高到90%以上。成果以“Genetic and phenotypic profiling of single living circulating tumor cells from patients with microfluidics”為題，發(fā)表在《PNAS》上。

圖1. 循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）捕獲、原位培養(yǎng)和基因分析芯片系統(tǒng)NICHE，用于肺癌免疫治療的精準(zhǔn)預(yù)測與監(jiān)測。

該納米芯片采用磁場和細胞尺寸，高效去除（> 93%）血樣中的白細胞，并捕獲CTCs使其形成單細胞陣列（>95%）。為了實現(xiàn)活CTCs內(nèi)PD-L1基因的準(zhǔn)確檢測，研究者們設(shè)計了一種具有四面體結(jié)構(gòu)的探針，實現(xiàn)對活細胞內(nèi)PD-L1基因、內(nèi)參GAPDH基因、以及CTCs鑒定基因的同時檢測。芯片采用實驗室標(biāo)簽遞送技術(shù)——納米電穿孔，在2秒內(nèi)將探針遞送至95%細胞內(nèi)，且保持良好的細胞安全性（90%），遞送性能顯著優(yōu)于與其他常規(guī)方法（圖2）。

圖2. 在單個活細胞水平CTCs內(nèi)PD-L1 mRNA的精準(zhǔn)量化。

完成基因檢測的CTCs，保持了良好的活性。通過與免疫T細胞的共培養(yǎng)，研究者們發(fā)現(xiàn)，部分腫瘤細胞在免疫抑制劑存在時，細胞形態(tài)發(fā)生了明顯的變長，且細胞增殖行為被顯著抑制（圖3）。根據(jù)腫瘤細胞PD-L1的表達情況，研究者們劃分出了PD-L1高表達與低表達的閾值；另外，根據(jù)腫瘤細胞與免疫細胞共培養(yǎng)的結(jié)果，研究者們劃分出了腫瘤細胞形態(tài)發(fā)生變化的閾值。綜合CTCs中PD-L1高表達（PD-L1^high）且表型發(fā)生變化（PA⁺）的占比，該研究定義了一種新的指標(biāo)，“NICHE指數(shù)”，用于預(yù)測癌癥患者響應(yīng)免疫療法的療效。

圖3. CTCs與免疫細胞共培養(yǎng)下發(fā)生形態(tài)改變。

為了評估NICHE在臨床上預(yù)測免疫療效的性能，收集了80 名非小細胞肺癌患者的外周血，通過在NICHE平臺上的檢測，證明了該平臺捕獲 CTCs 并鑒定其基因和行為表型的能力（圖4）。NICHE指數(shù)在預(yù)測臨床預(yù)后方面，表現(xiàn)出高準(zhǔn)確性（AUC=0.906），明顯高于目前臨床上基于腫瘤組織中PD-L1表達細胞占比的標(biāo)準(zhǔn)參考方法（AUC=0.578）。目前，該團隊正在聯(lián)合北大腫瘤醫(yī)院吳楠主任，制定一項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于肺癌免疫治療獲益人群篩選，以達到肺癌個性化醫(yī)療，有望降低臨床癌癥醫(yī)療負擔(dān)。

圖4. 采用NICHE系統(tǒng)對肺癌血樣中的CTCs進行捕獲與分析，并實現(xiàn)了患者免疫治療的精準(zhǔn)預(yù)測。

該論文的其他通訊作者包括北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院吳楠教授、格拉斯哥大學(xué)Jonathan M. Cooper 教授、北京機械設(shè)備研究所楊明珠研究員。第一作者為北航醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院董再再（助理教授）、北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院汪于森碩士、北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院劉冰博士、上海市感染和免疫疾病科技創(chuàng)新中心徐高連教授。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315168121