癌细胞常常会脱离原发部位并在血液中循环，从而在身体其他部位形成新的肿瘤。检测到这些细胞，或可为医生提供一种新方法，以预测患者的肿瘤是否会转移，或监测患者对治疗的反应；但要找到这些极其罕见的细胞一直颇具挑战，因为患者1毫升血液样本中可能只有1至10个这样的细胞。
来自麻省理工学院、宾夕法尼亚州立大学和卡内基梅隆大学的一支工程师团队正在研发一种分离这些细胞的新方法：利用声波将它们与血细胞分开。
他们的新型细胞分选设备速度比他们去年首次报告的原始版本快20倍，已接近实际用于检测患者血液样本所需的速度。研究人员还证明，该设备能够成功捕获患者样本中的循环肿瘤细胞，这有望推动多种临床应用，并促进关于这些细胞如何逃离原发肿瘤部位的基础研究。
麻省理工学院材料科学与工程系首席研究科学家Ming Dao；卡内基梅隆大学校长、同时也是麻省理工学院范内瓦·布什荣休工程学教授及前工程学院院长的Subra Suresh；以及宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学教授Tony Jun Huang，是一篇介绍该设备的论文的资深作者。该论文将于4月6日当周发表于《美国国家科学院院刊》。
研究团队还包括论文第一作者、宾夕法尼亚州立大学博士后Peng Li；麻省理工学院前博士后、现为圣母大学助理教授的Zhangli Peng；以及宾夕法尼亚州立大学赫尔希癌症研究所医学教授Joseph Drabick等人。
温和地分离细胞
大多数现有的细胞分选技术都需要用化学物质标记细胞，或让细胞承受可能造成损伤的强机械力。为了利用声波分选细胞——这是一种更温和的替代方法——研究人员制造了微流控装置，并在微通道两侧各安装一个产生声波的声学换能器。当两列声波相遇时，它们会叠加形成驻波（位置保持恒定的波）。这种波会产生压力节点，即低压线。
由于声波倾斜传播，以一定角度穿过微通道，每个细胞在流经通道时都会遇到多个压力节点。细胞每遇到一个节点，就会被进一步推向通道一侧；细胞移动的距离取决于其大小及可压缩性等其他特性。
在此前的研究中，研究人员能够将癌细胞与红细胞和白细胞分离，但样本通过设备的流速仅为每分钟1至2微升。按这一速度，处理一份约6毫升的典型患者样本需要50多个小时。
新版本设备的工作流速提高了约20倍，因此可在约五小时内处理一份患者样本。
为实现这一点，研究人员利用计算机模拟细胞轨迹，并通过实验加以验证，据此调整了设备的其他一些特征，包括倾斜角度——即声波撞击通道的角度——以及细胞暴露于声波中的距离。
检测罕见细胞
研究人员用新型声学设备测试了由实验室培养的癌细胞和白细胞混合而成的样本。在这些研究中，对于每10万个白细胞中仅含1个癌细胞的样本，他们至少分离出了83%的癌细胞。
该设备在检测三位乳腺癌患者血液样本时也表现良好。研究人员分别从这些样本中分离出1个、8个和59个肿瘤细胞；第一份样本来自一位对治疗反应非常好的患者，因此其血液中循环的肿瘤细胞很少。
Dao表示，研究结果与一种市售癌细胞分选设备的结果相近；不过，该设备会损伤细胞，使细胞无法用于后续研究。相比之下，声学技术非常温和，而且无需用磁珠、抗体或任何其他分子标记细胞，因此分离后的细胞非常适合进一步分析。
Suresh说：“如果进一步提高细胞处理通量，这项工作有望为循环肿瘤细胞这一复杂议题的基础研究，以及不同类型癌症的临床评估，提供一种有用的新工具。”
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程学教授、未参与这项研究的Taher Saif表示，新系统成功分选患者样本，较团队最初的设备是“一项重大进展”。Saif说：“现在可以设想，基于他们提出的设计开发出一款可实际应用的产品。”
研究人员目前正在努力进一步提高设备的流速，同时让设备更加稳健且更具成本效益。
本文由 MIT News合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Anne Trafton为MIT News撰稿。
图片：在萨顿的癌症研究所，科学家Paul Clarke在显示器上查看一张标记细胞的图片。路透社/Stefan Wermuth
