双针纳米活检追踪癌细胞在数天内对治疗的反应

利兹大学的科学家开发了一种双管纳米移液器，使研究人员能够观察单个活癌细胞对治疗的反应以及随时间的变化。这种能力可以产生重要的见解，帮助医生开发更有效的癌症治疗方法。

基于扫描离子电导显微镜(SICM)，新的纳米活检平台使用两个纳米针，因此它可以同时注射到同一细胞中并从同一细胞中提取样本。目前研究单细胞的技术通常会破坏它们，这意味着任何一种细胞都可以在治疗前或治疗后进行研究，但不能同时进行。新设备可以在接受癌症治疗期间反复对活细胞进行活检，在不杀死细胞的情况下取样其内容物的微小提取物，使科学家能够观察转录组随时间的变化。

该平台还提供高水平的半自动化功能，可以从更多的单个细胞中提取数据，其准确性和效率比以前高得多。在《科学进展》上发表的论文中，包括生物学家和工程师在内的多学科团队报告了他们使用纳米移液器平台对单个胶质母细胞瘤(GMB)脑癌细胞进行活检，并在几天内测试它们对化疗和放疗的抵抗力。

利兹大学医学院脑癌生物学副教授露西·斯特德博士说：“这代表着一项重大突破。这是我们第一次拥有一种技术，可以实际监测治疗后发生的变化，而不是仅仅假设它们。这种技术将提供我们以前从未有过的一层理解。这种新的理解和洞察将导致我们的军械库中出现对抗所有类型癌症的新武器。”

Stead是该团队在《科学进展》上发表的报告的共同通讯作者，该报告的标题是“单细胞纳米活检实现了癌细胞的多代纵向转录组学”。该团队在论文中总结道：“我们设想纳米活检将有助于将标准单细胞转录组学从静态分析转变为动态分析。”

许多分子生物学研究都是在细胞群上进行的，给出的结果是平均的，忽略了每个细胞都是不同的这一事实。有些细胞在治疗过程中死亡，但其他细胞则存活下来。找到治疗方法的关键是了解是什么让一个细胞得以存活，以及那些死亡的细胞发生了什么。作者指出，单细胞RNA测序彻底改变了对细胞异质性的理解，但常规方法需要细胞裂解，因此会杀死细胞“……并且无法探测导致细胞状态转变的动态轨迹，而这只能推断。”

以利兹为首的小组率先使用集成到SICM中的纳米移液器对培养物中的活细胞进行纳米活检。作者表示：“纳米活检技术能够从单细胞中提取RNA和细胞器，研究神经元细胞内的mRNA区室化，以及从人体组织中对线粒体进行局部采样。”

双筒纳米移液器的信息图，展示其工作原理。[图片由Somersault1824设计。图片来源：利兹大学]

双筒纳米移液器的信息图，展示其工作原理。[图片由Somersault1824设计。图片来源：利兹大学]

现在，新设备使科学家能够重复采集样本，以研究单个细胞中疾病的进展。纳米手术平台太小，无法用手操纵。相反，微型针由机器人软件精确控制，将它们操纵到位，进入培养皿中的细胞。纳米移液器的第二根针在控制设备方面发挥着基础作用。研究人员在他们的论文中进一步描述了双管纳米移液器。每个桶的孔径约为150nm。

其中一个桶装满了有机溶液，用作电化学注射器来进行细胞质提取，而第二个桶装满了电解质水溶液，提供了科学家们解释的“……稳定的离子流，用于精确定位和纳米注射外源分子进入细胞。”他们指出，使用这种双管纳米移液器，科学家可以提取飞升体积的细胞质，同时将外源分子注入单个细胞中。“与之前建立的技术相比，该平台具有多项优势……该平台能够对同一细胞(及其后代)进行多代纵向纳米活检，以分析72小时内的基因表达变化。”

这项研究是利兹布拉格材料研究中心的研究人员合作进行的;利兹电子电气工程学院;利兹医学研究所和诺里奇厄勒姆研究所在实验过程中研究了单个GBM细胞。

在化疗和放疗中存活并分裂的脑癌细胞的荧光图像。处理前有1个细胞，处理后有3个细胞。

在化疗和放疗中存活并分裂的脑癌细胞的荧光图像。处理前有1个细胞，处理后有3个细胞。[法比奥·马库乔博士]

作为概念验证，该团队应用该平台来研究由放疗和替莫唑胺(TMZ)化疗引起的胶质母细胞瘤(最具侵袭性的脑癌)模型中基因表达的变化，这些是患者标准治疗的非手术要素。作者指出，GBM是一种致命的脑癌，所有肿瘤在治疗后都会复发。肿瘤内异质性在GBM中很常见，同一肿瘤内存在不同状态的大量细胞。

癌细胞的可塑性(细胞改变其行为的能力)是癌症治疗中最大的挑战之一，因为人们对此仍知之甚少。GBM癌细胞特别具有可塑性。它们可以很快适应，这被认为有助于它们产生对放疗和化疗的抵抗力。研究人员写道：“细胞在不同状态之间的转变赋予了肿瘤可塑性，并且它被认为负责通过治疗进行细胞适应。”了解这些细胞如何适应，以及如何阻止它们适应，可以防止癌症复发。

Stead补充道：“GBM是最需要这些新武器的癌症，因为20年来这种疾病的生存率没有任何改善。它落后了这么多，我们认为这是因为这些肿瘤的高度“可塑性”性质——它们适应治疗并存活下来的能力。这就是为什么我们能够动态观察和表征这些细胞的变化如此重要，这样我们就可以绘制出这些细胞可以经历的旅程，并随后找到在每个转折点阻止它们的方法。以我们现有的技术根本无法做到这一点。”

现有的单细胞研究还无法确定抗癌治疗后GBM细胞表型的这种转变是由于不同细胞类型的细胞分裂和死亡率相关的变化、细胞后代表型的变化还是由于研究人员指出，直接从一种细胞表型转变为另一种细胞表型。相比之下，他们表示，“我们的技术允许通过治疗对同一细胞及其后代进行纵向采样，并能够确定可能支撑这些细胞适应和抵抗治疗的能力的表型变化。”

Stead领导着圣詹姆斯医院利兹医学研究所的神经胶质瘤基因组学研究小组，该小组致力于尝试治愈GBM脑肿瘤。她表示：“这项技术可能对这种特殊的癌症具有革命性的意义，帮助我们最终找到针对这种可怕的、无法治愈的疾病的有效治疗方法。”

该研究主要由脑肿瘤慈善机构资助。该组织的CSOSimonNewman博士表示：“我们知道胶质母细胞瘤细胞对治疗的反应不同，通常会产生治疗耐药性，从而导致复发。这项新技术的开发可以从治疗前后在实验室生长的肿瘤细胞中提取样本，将为了解耐药性如何发展并导致肿瘤重新生长提供独特的见解。“我们希望这项由脑肿瘤慈善机构资助的重要工作能够提高我们对这些复杂脑肿瘤的了解，并使我们能够找到新的、更有效的治疗方法——这对于那些面临这种毁灭性疾病的人来说是迫切需要的。”

该研究的主要作者、伦敦帝国理工学院医学院的助理研究员FabioMarcuccio博士在利兹大学期间进行了这项研究，他进一步指出：“我们的设备可以研究脑癌细胞随着时间的推移适应治疗的方式，以前所未有的精度。该工具将提供的数据可能会显着改善癌症治疗和预后。”

他补充道：“这项工作是我的同事和共同领导者、利兹电子电气工程学院生物纳米技术研究员ChalmersChau博士和前利兹大学现教授GeorgetteTanner博士共同努力的结果。牛津纳米孔技术公司的生物信息学家，他的贡献对于实验设计和数据分析至关重要。这表明了创建跨学科团队来应对当今时代最大挑战的重要性。”

该研究的共同领导者和共同通讯作者、利兹电子电气工程学院生物纳米技术副教授PaoloActis博士已经研究纳米活检工具约15年，他表示，与它的原始范围提供了“显着的优势”。他补充说：“化疗未杀死的癌细胞会导致癌症复发并导致死亡。我们的工具可以精确定位这些细胞，现在我们可以对它们进行活检，这样我们就可以专门研究那些在治疗中存活下来的细胞发生了怎样的变化。这一点至关重要，因为我们越了解细胞如何变化，我们就越能开发出更多药物来阻止它们适应。”

斯特德表示，还需要进行进一步的研究，在实验室和人体中使用这项技术来研究更多的样本，但它已经产生了非常有价值的信息。