上海交大施奇惠教授：稀有肿瘤细胞鉴定和单细胞测序 |《大咖论健》第24期

《大咖论健》总第25期

施奇惠 教授

关键词：稀有肿瘤细胞鉴定  CTC

 单细胞蛋白组   诊断仪器研发

建议用时：7分钟

精准医学是科学技术化、技术产业化的领域。它围绕基因技术、微生物组、免疫治疗、大数据、人工智能等辅助医学信息化，为海量人群提供个性化预防和诊疗，是继转化医学后的升级。国家战略、科研发展、产业兴起把精准医学推向浪尖，同时在规范标准、政策引导、科学普及、资源整合上仍存在大量信息不对称。

“使连接产生价值，让知识获得尊重”作为精准医学行业变革的连接器，基因慧主办《大咖论健》，为行业代表提供专业发声平台。本期邀请上海交通大学系统生物医学研究院教授施奇惠分享在稀有肿瘤细胞鉴定和单细胞测序的研究。感谢NGS创新开发者协会对本期活动的支持。

欢迎科研/临床/产业代表参与《大咖论健》。

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往期精华内容

《大咖论健》25期cfDNA大数据和癌症早筛

作者：施奇惠 教授

编者：基因慧 

一、从化学材料到生物医学新技术

基因慧：施教授，您好！感谢您接受基因慧的专访。您从化学材料领域到生物医学新技术与诊断仪器研究，是什么吸引了您做了这样的跨越，可否谈谈这个过程中的经历和体会？谢谢！

施教授：我首先简单介绍下我的求学与工作经历。我2003年毕业于复旦大学化学系，2003至2008年在加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）化学系攻读博士学位，师从Galen Stucky教授。Stucky教授是美国科学院院士，是化学和材料领域发表论文引用率最高的科学家之一。

在UCSB学习的五年里，我和化学系、材料系以及环境系等不同领域的学者合作，从事无机、聚合物等多种材料的研究及其应用。虽然研究的方向不够聚焦，但对于一个博士生来说首先是开阔了眼界，接触到了各种不同的材料合成表征技术以及应用领域，但最重要的是使我认识到技术始终是为研究目标服务的。当我们明确了一个研究目标，就需要寻找或者发明能够最合理实现这个目标的技术，而不是仅仅拘泥于我们所熟悉的技术，不能手里拿了一把锤子看什么都像钉子，这也是之后指导我研究的一个重要方针。

博士阶段的学习经历使我意识到要做些真正重要同时自己感兴趣的事情，而我当时想做些与临床相关的工作。因为我本身没有生物或者医学的背景，所以需要一个既与临床密切相关又对我来说比较容易切入的研究方向，当然更需要选择一位能够允许我花时间重新学习生物医学知识的导师，因此我在2008年暑假获得博士学位后加入了加州理工学院的James Heath教授的课题组做博士后研究。

Heath教授是纳米电子学领域的权威，获得过费曼奖（2000年），曾创办California NanoSystem Institute（加州纳米系统研究院，CNSI）。他最初的成就来自于研究生时代与Sean O'Brien、Richard Smalley（Heath的导师）、Harold Kroto、Robert Curl共同发现了C60。C60的发现可以说是整个纳米科学的开端，而Richard Smalley、Harold Kroto和Robert Curl也被共同授予了1996年的诺贝尔化学奖。Heath教授的研究兴趣与重心在2005年后从纳米电子学、分子电子学逐渐转移到了癌症研究。在NIH的资助下，他建立了NanoSystems Biology CancerCenter（纳米系统生物学癌症中心，NSBCC）。这对我来说是一个非常好的机会，因为在NSBCC我一方面我可以有时间重新学习，另一方面也可以通过NSBCC的合作机制向生物医学方面的学者以及临床医生学习。

我在加州理工学院主要从事单细胞蛋白组检测方面的研究，并与同事合作进行了一些临床样本的检测，在PNAS（第一作者）[1,2]、Nature Medicine（共同作者）[3]等杂志上发表了论文。回国后我加入了上海交通大学系统生物医学研究院，将研究方向与临床贴合得更加紧密。

图：The single-cell barcode chip，来自参考文献[2]

二、从加州理工学院到上海交大

 

基因慧：您2011年在加州理工学院完成博士后研究后，婉拒了美国的tenure-track的助理教授职位，回国加入上海交通大学系统生物医学研究院，第二年入选了第二批国家青年千人计划。您能和基因慧的读者，特别是留学归来的科研学者，在不同科研和工作环境中适应的经验吗？

施教授：我回国发展的主要原因是家庭因素，当然2010年美国正处于经济危机中，很多学校都减少甚至取消了招聘计划，职位比较稀少，拿到tenure-track的助理教授职位并不容易。对于回国发展而言，我觉得比较有利的一点是一直以来我都与国内学术界保持了比较密切的联系，对国内的情况也比较熟悉，所以不存在那种出国太久，一朝回国水土不服的情况。

但即使如此，回国自己建立课题组仍有很多挑战，我认为这些挑战或者说不适应主要是由于身份改变造成的，就是从课题组成员变成了课题组组长（PI）后，很多原先不需要操心或者根本没有接触过的事情都需要去做。PI的身份对一个科学家的要求是全面的，他不仅要关注学术方面，写论文申请项目，还要招学生指导学生并承担教学任务，同时需要了解财务、采购招标等流程，参与各种院内事务以及各种项目评审、论文评议等等。尤其是我希望自己有一个不同于以前的研究方向，建立自己的学术声誉，这就需要在学术上付出更多的努力。

三、诊断仪器重在方法学创新和机制保证

  

基因慧：目前就临床诊断仪器领域而言，国外依然领先一段距离，您认为其中的关键因素是什么呢，在高精密仪器特别是临床诊断仪器研发，我们需要改善或者学习的方面有哪些呢？

施教授： 这个题目比较大，我只能从自己的角度给予一些看法。欧美在临床诊断仪器和高精密仪器方面的领先首先当然是因为长期、持续性的研发投入，相比之下国内的积累就显得远远不够，无论在技术方面还是人才方面，亦或是配套产业方面都显不足。可喜的是目前国内已经有了一些比较有实力的公司能够从事较好的产品开发与优化。相比于大公司巨额的研发投入、丰富的人力资源以及长期积累，学术界在很多领域特别是精密仪器的研发上并没有那么丰富的资源。

所以我认为最好能够聚焦于上游方法学的创新，也就是发展颠覆性的新技术来实现在这个领域的弯道超车，同时也需要一些机制的保证来促进科研成果的产业化。我们经常可以看到国外一篇方法学的文章在顶尖期刊上发表，没过多久就有一个公司将其产品化并上市销售，科研成果转化的效率非常高。

科研成果转化的一种方式是将技术转让给有实力的公司进行产品开发，另一种则是科学家自己创办企业进行技术的产业化。由于实验室研发的技术往往与最终的产品仍有较大的距离，还需要投入很多的资源进行产品开发，甚至在产品开发过程中由于市场定位的问题还需要做调整，进行二次研发，因此整个产业化的过程往往是比较漫长而不确定的，尤其对于创新医疗器械还涉及临床医生的接受以及合规问题。这种风险直接关系到转化的成功率以及对科研成果的定价问题，需要建立适当的机制来促进有价值科研成果的快速转化，提升成功率，但目前在具体执行层面上仍然存在很多政策缺失。

无论是向业界转让还是直接创办企业来转化，科学家本身都无法独立完成，需要学校层面提供法律、商业运营以及金融等多方面的协助。事实上很多综合性大学都拥有很好的商学院、法学院以及校友资源，完成是能够将其整合来推动科研成果的转化的。尤其对于创新的临床检验类产品而言，可以在早期就邀请附属医院一起参与进行临床试验，获得临床认可以便于后续的产业化。在欧美，大学是很多创新技术的源头，在完善的知识产权保护以及风险投资基金的参与下，基于实验室科研成果的创新创业企业不断涌现，推动着技术的进步及提升市场的活力。

四、稀有肿瘤细胞细胞鉴定与单细胞测序

   

基因慧：欣闻您的3月31日将来杭州《NGS创新开发者大会》上做一场精彩的学术报告，可否和基因慧读者略谈谈在大会上您即将演讲的主题呢？与您在今年2月在《美国科学院院刊》（PNAS）发表的论文是否有关？

施教授： 我的报告主题主要是关于体液中稀有肿瘤细胞的鉴定与单细胞测序的，其中当然就包括外周血中稀有的循环肿瘤细胞（CTC）。我是在2013年进入CTC这个领域的，因为我之前是做单细胞分析的，自然就会关心那些具有重要生物学意义和临床价值的稀有细胞，因为它们数量稀少，因此就需要单细胞精度的检测方法。

我进入CTC这个领域的时候它已经非常热了，尤其伴随强生公司的CellSearch系统2012年在国内的获批可以说在随后几年里达到了一个高潮。我首先研究了已有的一些技术，然后我发现这个领域里有两个关键性的问题一直没有得到解决。

首先是我们如何准确判断血液中的一个游离的细胞是肿瘤细胞的问题，这其实是一个基础性的问题，因为你只有明确鉴定是肿瘤细胞才能称之为CTC。目前存在多种不同的鉴定方法，不但没有统一的标准，而且遗憾的是大部分方法并不能准确鉴定细胞是否具有恶性。我们知道，恶性肿瘤在播散、侵袭、转移的过程中常伴有肿瘤细胞进入体液，如血液、胸腹水、脑脊液等。在这些体液样本中找到肿瘤细胞是判定肿瘤存在、甚至转移的可视化高级别的证据。目前在体液样本中鉴定脱落肿瘤细胞主要依赖于细胞学检查，基于肿瘤细胞的形态学特征进行鉴定，并进一步结合免疫组化明确其器官来源和病理分型，费时费力且有较高的专业要求，而且这一方法在鉴定血液中游离的肿瘤细胞时遇到了很大的挑战。

CTC领域的第二个关键性的问题是肿瘤细胞出现在血液中到底有什么明确的临床意义？当然，CTC提供了肿瘤组织的材料，能够使我们通过它来了解肿瘤组织的分子特征，从而指导用药，这一点是比较明确。但更为重要的是，CTC播散进入血液循环系统，其与转移之间的关系是未知的，也就是说CTC的出现意味着远处转移已经完成还是尚未完成这一点是未知的，也是临床医生最希望了解、最感兴趣的。我们知道绝大多数肿瘤患者死于转移，临床上很多患者在接受手术后短时间内就出现转移复发，而影像学方法又难以发现隐秘的转移病灶，因此临床医生希望能够通过液体活检的方式发现转移的蛛丝马迹。同样出现在血液中的ctDNA难以区分其来自原发病灶还是转移病灶，因此CTC的检测被寄于很大的希望，因为至少在血液中检测到CTC意味着肿瘤有转移的倾向。但正如我们前面所说，前提是准确可靠的检测到CTC。

我们课题组的研究主要围绕上述两个问题进行，即首先如何确认肿瘤细胞，其次探索CTC与转移或者说患者临床结局的关系，目前在第一个问题方面已经取得了一些初步的结果。对于在传统的形态学检查之外探索快速、简便的稀有恶性细胞鉴定新方法。美国麻省理工学院的Robert A. Weinberg教授在2011年总结了肿瘤细胞的十大基本特征[4]，包括维持增殖信号，逃避生长抑制，抑制细胞死亡，无限自我复制，诱导血管生成，激活浸润转移，避免免疫损伤，促进肿瘤炎症，能量代谢异常以及基因组不稳定等。这些基本特征能够有效地鉴别恶性细胞，但其中除了能量代谢异常外，其他特征均难以方便地在单细胞尺度上进行高通量的检测。

图：The Hallmarks of Cancer，来源于参考文献[4]

肿瘤细胞具有不同于正常细胞的能量代谢途径，这一现象首先被Otto Warburg观察到。即使在氧气存在的情况下，肿瘤细胞仍主要以糖酵解的方式进行能量代谢，其摄取的葡萄糖大大高于正常细胞，这一效应被称为Warburg效应，Warburg也因此获得1931年的诺贝尔奖。

图：The Warburg Effect，来源自：The Charlie Foundation

Warburg效应在临床上已有广泛应用，通过将带有放射性标记的葡萄糖类似物（18F- FDG）作为示踪剂，应用正电子发射断层摄影术（PET/CT）可以非侵袭性、可视化灵敏检测体内高葡萄糖摄取的恶性组织，从而发现肿瘤原位及转移病灶。由于放射性标记的葡萄糖类似物的空间分辨率较低，该研究采用荧光标记的葡萄糖类似物在体外对大量细胞的葡萄糖摄取能力进行高通量检测。其基本假设是在胸水样本中高葡萄糖摄取且不表达白细胞共同抗原（CD45）的细胞有较大可能是肿瘤细胞，具有这类细胞的胸水可被鉴定为恶性胸水。为了验证这些细胞是否的确为肿瘤细胞，使用显微操作设备将这些疑似肿瘤细胞一一取出进行单细胞测序。实验结果表明，对于肺腺癌患者的胸水样本，超过60%的疑似肿瘤细胞均检测到了与原位肿瘤细胞一致的驱动基因突变（EGFR、KRAS等）。同时，在部分传统细胞学检查阴性或无法确诊的样本中，该方法能够有效找到肿瘤细胞并通过测序加以确认。

在胸水样本中检测高代谢活性的细胞是一种快速鉴定恶性胸水的有效方法，有望成为现有细胞学检查的有益补充。该方法筛选到的高代谢活性细胞均具有高度活性，因此能方便地进行单细胞测序与体外培养。进一步的实验表明，该方法可被应用于血液样本中循环肿瘤细胞的检测，但由于血液中的细胞数目远多于胸水，检测时间也需相应延长。该研究通过肿瘤细胞的能量代谢异常这一基本特征在体液样本中高通量、快速鉴定肿瘤细胞，并通过大量的单细胞测序确认其可靠性，提供了一种在复杂体液样本中鉴定恶性细胞的新思路和新方法。

（参考文献列表见文章底部）

《第四届NGS创新开发者大会》

基因慧首次联合承办并梳理基因行业黄金十年

《第四届NGS创新开发者大会》精彩预告

时间	内容	嘉宾
上午 丨 NGS创新开发者大会
08:00-09:00	大会签到
09:00-09:10	主持人开场
09:10-09:15	主办方致辞	主办方
09:15-09:20	领导致辞	政府领导
09:20-09:45	Single Molecule  Electronic DNA Sequencing by Synthesis Using  Tagged Nucleotides and Nanopore  Detection	鞠景月 教授 Center for Genome Technology and  Biomolecular Engineering,  Departments of Chemical Engineering and  Pharmacology, Columbia  University
09:45-10:10	稳定高效的新型纳米孔测序分子MspA	刘全俊 教授 东南大学
10:10-10:35	基于高通量测序的系统解决方案	刘健 华大智造仪器开发总监
10:35-11:00	智能加样高通量单分子基因组结构变异检测平台Saphyr	曹涵 博士 Bionano创始人兼首席科学家
11:00-11:25	体液样本中高通量稀有单细胞自动分离与单细胞测序应用	施奇惠 教授 上海交通大学
11:25-11:40	启动仪式
11:40-13:00	午餐
下午 丨 NGS创新开发者大会
13:00-13:15	主持人开场
13:15-13:40	Universal Haplotype-Based Noninvasive Prenatal Testing  for Single  Gene Diseases (单基因疾病无创诊断的通用方法)	江培勇 教授 香港中文大学
13:40-14:05	不依赖高通量测序的无创产前NIPT	刘超 博士 天昊生物医药（苏州）有限公司首席科学家
14:05-14:30	全基因组cfDNA智能数据分析在癌症早期筛选中的应用	杨虎山 博士 费城Thomas Jefferson大学Sidney Kimmel癌症中心
14:30-14:45	茶歇
14:45-15:10	基于DNA甲基化的高灵敏度肿瘤液体活检	刘蕊 博士 上海鹍远基因CTO
15:10-15:35	基于循环肿瘤DNA的肿瘤早期检测	刘朝煜 博士 深圳因合生物CEO
15:35-16:00	寻找第二代个人基因组产品成功之路	徐兴 博士 Genos创世团队成员、生物信息产品总监
16:00-16:25	医疗健康创新与落地---基因与表型的连接	顾卫红 博士 中日医院运动障碍与神经遗传病研究中心负责人、CHPO总协调人
16:25-16:50	黄金十年——国内外基因企业布局梳理	汪亮 基因慧创始人兼CEO
16:50-17:35	圆桌论坛	嘉宾敬请期待
17:35-18:00	大会主议程结束，嘉宾合影
晚上 | 君联-NGS创新开发者之夜（晚宴）
18:00-18:10	主持人开场
18:10-18:20	主办方致辞	协会代表
18:20-18:40	晚宴祝酒辞	君联资本
18:40-19:00	主题演讲（专业领域）	王学刚 贝壳社创始合伙人
19:00-19:20	主题演讲（医疗机构）	郑杰 树兰医疗产业基金
19:20-19:25	暖场表演	协会文艺代表
19:25-19:40	颁发NGS创新开发者大奖
19:40-19:50	主题演讲（投资分析）	普华资本
19:50-20:00	主题演讲（行业分析）	东方证券
20:00-20:15	主题演讲（行业报告）	嘉宾敬请期待
20:15-20:30	自由交流

（注：以当天日程为主）

参考文献资料：

1.Wei W*, Shi QH*, Remacle F*, Qin LD, Shackelford D, Shin YS, Mischel, PS, Levine RD, Heath JR, “Hypoxia Induces a Phase Transition within a Kinase Signaling Network in Cancer Cells”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, E1352

2. Shi QH, Qin LD, Wei W, Geng F, Fan R, Shin YS, Guo DL, Hood L, Mischel PS, Heath JR, “Single-cell proteomic chips for profiling intracellular signaling pathways in single tumor cells”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 419

3. Ma C, Fan R, Ahmad H, Shi QH, Comin-Anduix B, Chodon T, Koya, RC, Liu CC, Kwong GA, Radu CG, Ribas A, Heath JR, “A clinical microchip for evaluation of single immune cells reveals high functional heterogeneity in phenotypically similar T cells”, Nat. Med. 2011, 17, 738.

4.Hanahan, D.; Weinberg, R.A. Hallmarks of cancer: The next generation. Cell 2011, 144, 646–674, doi:10.1016/j.cell.2011.02.013.

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