The Innovation | 微小残留白血病的微流控检测

导 读

微小残留病（MRD）是预测急性白血病治疗后复发的最重要生物标记，但现有的MRD检测手段存在灵敏度低、标准不统一、费用高等问题。本研究设计了一种新型微流控装置，能够通过物理特征显著提高样本中白血病细胞浓度，提高MRD检测的敏感度，同时减少采集骨髓标本给患者带来的痛苦。该技术可为白血病患者提供更好的监测方法，具有重要的临床应用前景。

复发是白血病治疗失败的最重要原因。白血病患者治疗后达到形态学完全缓解时，采用更灵敏的检测手段会发现体内仍可能残留微量白血病细胞，即微小残留白血病（MRD）。MRD是预测复发的最重要生物标记，但现有MRD检测手段仍不完善。例如（1）白血病细胞表面抗原在随访过程中的丢失、改变可能导致多参数流式细胞监测失败，部分患者缺乏可供定量PCR监测的融合基因，以及二代测序花费高且无法定量检测；（2）各个实验室往往有自己的检测流程和指标，标准化程度不高；（3）目前MRD检测多需骨髓标本，这不可避免的会增加患者的痛苦。上述缺点限制了MRD监测在临床的推广使用。

白血病细胞的关键物理特性（例如直径、核质比和可变形性等）与正常白细胞存在区别，这为白血病细胞的分离和富集提供了新思路。我们设计了一种用于捕获循环肿瘤细胞（CTC）的微流控装置（国家发明专利号：CN111909828A），它能够分离尺寸在特定阈值以上、可变形性较差的细胞，同时极大浓缩液体体积，将目标细胞的浓度提高。与传统CTC捕获装置相比，它的优势在于在相当大的流速范围内都有很高的捕获效率，且无需很高的血液稀释倍数，因此能达到更高的有效通量。它的核心功能单元称为汇聚分流结构，在多次汇聚后，尺寸较大、可变形性差的细胞被不断推向通道中央，而靠近通道边缘的区域只存在尺寸较小或可变形性好的细胞，随后再通过特定流阻的分流通道，将不含目标细胞的液体导向废液口。每一级汇聚分流结构能够减少约50%的液体量，经过4~5级结构后，剩余的液体仅为原始体积的1%~5%。

图1 CTC富集芯片用于MRD检测的原理和方法

由于正常白细胞和白血病细胞的尺寸分布有一定的重叠，只要确定一个分离的上下限，就可以把这一装置应用于MRD检测，保留绝大部分的白血病细胞，同时将正常血细胞浓度降低若干个数量级。根据我们的前期实验，以16~18微米作为分离的上下限，能够将白血病细胞的相对浓度提升约4个数量级，结合5%的临床检测限，即能达到与多参数流式细胞检测等传统MRD检测手段相当的敏感度。

芯片功能在荧光微球捕获实验中达到了90%以上的捕获效率。该芯片也通过了实体肿瘤CTC的检测，双盲实验显示癌症患者的CTC浓度为6-117细胞/mL，与健康志愿者的CTC浓度（2-3细胞/mL）有显著的差异。这些实验证明基于微流控技术的新型装置可以更灵敏地检测到MRD细胞。

总结与展望

基于微流控技术的芯片在急性白血病MRD检测中具有以下优势：（1）基于白血病细胞的固有物理特征进行分离，不受细胞表面抗原改变以及缺少白血病融合基因等的影响，具有很高的普适性和敏感度；（2）可以用外周血代替骨髓标本，显著减轻患者痛苦；（3）成本低、操作简单，有利于向基层医院推广普及。未来结合自动化进样、高光谱成像和人工智能图像识别等技术后，这一方法有望成为自动化、标准化的MRD检测方法，具备广阔的临床应用前景。

责任编辑

霍   达    清华大学

赵涌泉    中山大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00036-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第三期以Translational Patent发表的“Novel microfluidic device for measurable residual disease detection in acute leukemia” (投稿: 2022-12-25；接收: 2023-03-02；在线刊出: 2023-03-23)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100408

引用格式：Cai Z., Fan S., Sun X., et al. (2023). Novel microfluidic device for measurable residual disease detection in acute leukemia. The Innovation. 4(3),100408.

作者简介

杨 根，北京大学电子信息专硕指导委员会委员；北京大学医学物理与工程博士生导师；北京大学核技术及应用博士生导师；中国科学院大学温州研究院客座教授，癌症诊疗研发组组长。团队聚焦于癌症诊断和治疗的基础研究及其临床转化，团队前期工作已申请十余项国际国内发明专利并部分成功转化，相关工作也已发表于Nature Communications、Matter、Lab on chip、Chemical Engineering Journal等国际主流期刊。团队主持和参与了包含国家重点研发计划、重大仪器专项、国家自然科学基金重点/面上/青年项目和公立医院的技术服务项目二十余项。

莫晓冬，医学博士，北京大学人民医院副教授、副主任医师，硕士研究生导师；北京市“青年拔尖人才”，北京市“高层次创新创业人才”。第一/通讯作者发表SCI论文50余篇。作为主要完成人获国家科学技术进步奖二等奖、中华医学科技奖一等奖、华夏医学科技奖一等奖等奖项。担任中国老年血液综合评估委员会委员、中国医药教育协会转化医学专业委员会委员、北京癌症防治学会造血干细胞移植专业委员会委员、北京抗癌协会科普专业委员会委员。

蔡紫葳，北京大学物理学院在读硕士研究生，目前的研究方向为使用微流体进行循环肿瘤细胞的体外检测和在体清除。

樊 爽，北京大学人民医院，北京大学血液病研究所，2021级科研型硕士研究生，研究方向移植后复发监测及预防相关的临床、转化研究。

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球50个国家；已被119个国家作者引用；每期1/4-1/3通讯作者来自海外。目前有195位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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