循环肿瘤细胞检测原理及其应用

循环肿瘤细胞的检测原理及其应用知行合一、经世致用CentralSouthUniversity循环肿瘤细胞检测的背景与意义Backgroundandsignificanceofthetopic循环肿瘤细胞富集原理及方法Principleandmethodofcirculatingtumorcellenrichment循环肿瘤细胞鉴定原理及方法PrincipleandmethodofidentificationofcirculatingtumorcellsCellSearch系统在循环肿瘤细胞检测中的应用Contents.目录自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina循环肿瘤细胞检测的背景与意义BackgroundandsignificanceoftheCTCs知行合一、经世致用CentralSouthUniversityThomasAshworth在癌症患者血液中发现与原发肿瘤细胞体积和形态相似的细胞。他推测，这些细胞在癌症转移过程中发挥了非常重要的作用，但由于当时技术的限制，对这一现象的研究未能深入CTCs的首次发现2005年，Pachmanm将CTCs正式定义为自发或因诊疗操作由实体瘤或转移灶释放进入外周血循环的肿瘤细胞。最终定义循环肿瘤细胞的发展（CirculatingTumorCells，CTCs）01自强不息厚德载物CentralSouthUniversity恶性肿瘤远处转移是临床上实体恶性肿瘤治疗失败或复发的主要原因之一该学说认为肿瘤转移的发生和发展，是处于活跃或活化状态的肿瘤细胞作为“种子”，当遇到适合的器官、组织的基质环境，即“土壤”时，就会在此定居、生长即发生肿瘤的转移，从而部分解释了肿瘤原发灶与转移灶之间的关系种子和土壤学说循环肿瘤细胞的存在正是实体恶性肿瘤远处转移的根源02循环肿瘤细胞CTC癌细胞从原位脱离侵犯血液循环，在循环中存活渗出进入远端器官在继发部位增殖研究意义：①深入研究CTCs有助于对肿瘤转移机制进一步了解，为抗肿瘤转移的治疗提供新的依据；②CTCs的检测有助于早期转移肿瘤患者的诊断、监测术后患者肿瘤的复发与转移；③有助于评估抗肿瘤药物的敏感性与患者预后以及选择个体化的治疗策略；④。。。。。。01循环肿瘤细胞检测难点02循环肿瘤细胞检测难点异质性细胞表面抗原标志物表达差异携带不同的分子信息转移潜力差异03不同形态：单细胞CTC细胞团CTM血小板包裹的CTC不同表型：上皮细胞表型间质细胞表型（经历EMT)混合表型*将恶性肿瘤细胞与红细胞、白细胞、正常上皮细胞等区分开来。CTCs的鉴定：如何鉴定所获取的细胞为CTCs?*从红细胞和白细胞中富集恶性肿瘤细胞CTC的富集：如何获取CTCs?04循环肿瘤细胞检测自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina循环肿瘤细胞富集原理及方法Principleandmethodofcirculatingtumorcellenrichment自强不息厚德载物05循环肿瘤细胞富集目前对于CTCs的富集主要根据：物理特性（密度和体积）分子生物学特性（免疫磁性和浸润能力）自强不息厚德载物06基于物理性质的分离捕获方法一、基于肿瘤细胞大小及机械性能分离原理：主要依赖于CTCs(15~30μm)相对于血细胞(8~11μm)有较大的体积因此,多种微孔滤膜、尺寸/形变依赖的微流控芯片装置的方法得到了广泛研究09基于物理性质的分离捕获方法二、基于细胞密度离心分离原理：基于血液中各种正常细胞与CTCs密度的差别，利用其在密度梯度介质（如Ficoll-Paque介质）中的沉降系数不同，将细胞悬液或匀浆置于介质的顶部，通过重力或离心力的作用，用分离液将CTCs与其它细胞层分离梯度分布：血浆成分单个核细胞（淋巴细胞、单核细胞、肿瘤细胞等）分离液中性粒细胞和最下层的红细胞自强不息厚德载物09基于物理性质的分离捕获方法OncoQuick系统使用一种专用的50mL试管，内置多孔屏障，其下为密度梯度分离液，使用时将标本置于屏障之上，从而避免在离心之前与分离液混合而污染优点：操作简便、成本低不足之处：一般要求血量较大，15-30ml；缺乏特异性,灵敏度也较低；CTCs迁移可能至血浆层、红细胞层和粒细胞；操作过程中易导致缺乏相应密度的肿瘤细胞丢失自强不息厚德载物10基于物理性质的分离捕获方法三、基于细胞电学性能分离原理：细胞可被看作是一种电中性的但是可以被极化的电介质粒子。因此,当细胞处于电场中时,将产生电偶极矩，电偶极矩的大小和方向主要依赖于细胞的介电性能。不同的细胞具有不同的介电性能，这成为分离肿瘤细胞的依据在实际应用中,当不同的细胞处于电场中时,他们将受到不同的电场力。因此,肿瘤细胞可以通过电旋转(Electrorotation)或者双向电泳(Dielectrophoresis,DEP)的方法得到分离富集优点：血液中捕获肿瘤细胞的效率达到70%；无标记，细胞保存良好活性不足之处：细胞的介电性能会逐渐变化，必须在较短的时间内完成；承载介质的电导率必须适当的控制在一个较低的范围02基于分子生物学特性的分离捕获方法免疫磁珠分离：最常见且有效地检测捕获脱落肿瘤细胞的方法阳性富集—捕获肿瘤细胞负性筛选—去除非肿瘤细胞（如白细胞、红细胞）肿瘤细胞表面特异性抗原标志物的表达抗原-抗体特异性结合，理论上可以同时实现对肿瘤细胞捕获和检测。自强不息厚德载物02免疫磁性分离自强不息厚德载物原理：CTCs具有某些特殊的生物标志物，包括上皮细胞粘附分子（Epithelialcelladhesionmolecule，EpCAM）、细胞角蛋白（Cytokeratin，CK）以及肿瘤特异性抗原因此利用肿瘤细胞表面抗原能与连接有磁珠的特异性单克隆抗体相结合，继而在外加磁场中与磁珠吸附的细胞滞留在磁场中或定向移动到指定区域从而使肿瘤细胞得以从血液中分离出来自强不息厚德载物02免疫磁性分离CellsearchTM系统/CTC芯片（CTC-chip）•芯片的表层分布了78000个包被抗EpCAM抗体的微柱点•血液样本流经芯片时，抗体与肿瘤细胞结合粘附在芯片上自强不息厚德载物02免疫磁性分离优点：方便、有效；可获取较高纯度的肿瘤细胞；富集到具有完整的细胞形态不足之处：单克隆抗体昂贵；尚无具有普适性的肿瘤细胞表面抗原；敏感性一定程度上受到CTCs表面抗原表达的制约；CTCs经历上皮间质化过程(EMT)中，丢失EpCAM这些特异性的分子循环肿瘤细胞鉴定原理及方法Principleandmethodofidentificationofcirculatingtumorcells自强不息厚德载物自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02CTCs的鉴定自强不息厚德载物如何鉴定所获取的细胞为CTCs?免疫细胞化学技术（ICC）逆转录聚合酶链反应（RTPCR）流式细胞术（FCM）定量聚合酶链反应（qPCR）自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02免疫细胞化学技术（ICC）自强不息厚德载物原理是以显色剂标记的特异性抗体在组织细胞原位通过抗原抗体反应和细胞化学呈色反应，对相应抗原进行定位、定性和定量的技术。目前选择的循环肿瘤细胞的相关抗原包括EpCAM、上皮角质蛋白（CKs）、上皮细胞膜特异性抗原、肿瘤相关糖蛋白（TAG）或特异性标志物（如HER2、抗乳球蛋白等）•CTC的免疫荧光染色特性：EpCAM＋CK＋DAPI＋CD45－•白细胞的免疫荧光染色特性：EpCAM－CK－DAPI＋CD45＋优点：在于肿瘤细胞膜未被破坏，可以进行细胞大小和形态学分析不足之处：肿瘤细胞表面抗原表达的不均一性，在一定程度上降低了检测的敏感性荧光染料荧光染料自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物CentralSouthUniversity流式细胞术（FCM）原理：根据白细胞表达CD45抗原、CK阳性CTCs表达EpCAM，采用不同荧光素标记的抗CD45和抗EpCAM，通过流式细胞术分析和分选CK阳性细胞的CTC（CD45-EpCAM+）优点：可在检测的同时进行细胞形态、DNA倍数分析不足之处：需要的血液样本量大；缺乏规范的临床操作方法；肿瘤细胞表面抗原表达的不均一性，在一定程度上降低了检测的敏感性自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）原理：是基于组织或肿瘤特异性mRNA的表达或某些基因改变后DNA水平的异常，这些mRNA不表达于正常外周血细胞，所以在外周血中检测到特异mRNA可以间接提示CTCs的存在。优点：灵敏度高、可重复性好、价格低廉不足之处：mRNA不稳定；需破坏CTCs，无法计数及形态学观察；取样时上皮细胞污染、肿瘤标志物在外周血的非正常表达可造成假阳性CellSearch系统在循环肿瘤细胞检测中的应用TheCellSearchsystemanditsapplication自强不息厚德载物自强不息厚德载物02自强不息厚德载物90年代中期开始摸索捕获、分析CTC的方法1999-2003大量临床实验建立起CellSearch与CTC的临床相关数据2004获得美国FDA批准用于临床2009ClevelandClinic十大医学突破第一名2009PrixGalienUSA最佳医学技术奖2010.1中国CTC在复发转移乳腺癌上的应用注册实验2011.5CTC在小细胞肺癌上的应用实验研究2012.8获得中国CFDA批准用于临床1983磁流体%ProbabilityofSurvivalTimefromBaseline(Months)02468101214161822242628300%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%20Logrankp0.000121.9Months10.9Months5CTCsn=87(49%)5CTCsn=90(51%)CellSearchCTC检测技术发展历程自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物CellSearch检测技术的基本原理检测外周血循环中的上皮源性的循环肿瘤细胞循环肿瘤细胞表型EpCAM+andCytokeratins8,18+,and/or19+CD45-完整的细胞–上皮源性细胞碎片也会被捕获到，但并不会被计数肿瘤细胞白细胞抗EpCAM磁珠EpCAM抗原CD45抗原CK抗原抗CD45-APC染料抗CK-PE染料荧光染料EpCAM–上皮细胞粘附分子APC–异藻蓝蛋白荧光染料CK–细胞角蛋白PE–藻红蛋白荧光染料DAPI–4,6-二脒基-2-苯基吲哚（DNA荧光染料）自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物知行合一、经世致用CentralSouthUniversityCellSearch系统概览第一个标准化，自动化的循环肿瘤细胞捕获计数平台自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物知行合一、经世致用CentralSouthUniversityCellSearch自动样本处理过程自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物知行合一、经世致用CentralSouthUniversityCellSearch自动化结果分析•系统自动将被捕获的、经过染色的细胞置入MagNest装置的样本盒中•由于MagNest的磁场作用，捕获的靶细胞将移动至样本盒的分析表面，形成单细胞层•系统自动分析后得到结果并由操作人员进行最终判读自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofChina02自强不息厚德载物知行合一、经世致用CentralSouthUniversityCellSearch检测结果CTCs：DAPI+CK-PE+CD45-APC-自强不息厚德载物TsinghuaUniversityofCh