肺癌居我國各類惡性腫瘤首位
且患病人群呈年輕化趨勢
為精準篩選肺癌免疫治療獲益人群
“重塑”肺癌診療模式
北京航空航天大學常凌乾教授團隊
開發(fā)了一種新型納米醫(yī)療芯片
提高了對免疫療法療效的預測準確率
相關(guān)成果日前發(fā)表于《PNAS》
近日，北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院常凌乾團隊報道了一種新型納米醫(yī)療芯片，可以快速檢測肺癌循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）內(nèi)PD-L1基因表達、以及腫瘤細胞響應免疫細胞的行為表型；進一步對患者來源的CTCs進行亞群劃分，依此預測肺癌患者對免疫療法的治療效果。與傳統(tǒng)組織活檢技術(shù)相比，臨床準確率（AUC值）由57%顯著提高到90%以上。
成果以“Genetic and phenotypic profiling of single living circulating tumor cells from patients with microfluidics”為題，發(fā)表在《PNAS》上。
第一作者：北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院助理教授董再再、2023屆碩士生汪于森
通訊作者：北京航空航天大學常凌乾教授
第一單位：北京航空航天大學
免疫療法是臨床上最具有前景的腫瘤治療方式之一，曾獲2018年諾貝爾生理醫(yī)學獎。該療法采用PD-L1抑制劑等免疫檢查點抑制劑（ICI），重新激活癌癥患者體內(nèi)的免疫細胞，提高對腫瘤細胞的識別和清除能力，但在臨床中，僅有部分患者能從免疫治療中獲益。大量研究表明，僅依靠單一免疫標記物（如 PD-L1），無法準確預測患者對 ICI 的反饋。臨床常規(guī)組織活檢，受限于取樣位和檢測的精準性，也無法準確評估腫瘤的異質(zhì)性。如何精準預測免疫治療的療效，成為了提高免疫治療效率亟待解決的首要問題。
針對這一臨床難題，研究者們開發(fā)了一種新型納米醫(yī)療芯片。該納米芯片（名為“NICHE”）集CTC捕獲、基因檢測與行為分析于一體（圖1）。首先采用磁場和細胞尺寸，高效去除（> 93%）肺癌病人血樣中的白細胞，并捕獲CTCs使其形成單細胞陣列。利用納米電穿孔技術(shù)遞送一種新型四面體熒光探針（DNAT）至活細胞內(nèi)，快速、精準檢測細胞中內(nèi)PD-L1基因調(diào)控。進一步，與免疫T細胞的共培養(yǎng)，原位分析CTCs增殖和表型變化，并將細胞行為與基因表達異質(zhì)性進行關(guān)聯(lián)分析。
圖1. 循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）捕獲、原位培養(yǎng)和基因分析芯片系統(tǒng)NICHE，用于肺癌免疫治療的精準預測與監(jiān)測
為了實現(xiàn)活CTCs內(nèi)PD-L1基因的量化分析，研究者們設計了一種具有四面體結(jié)構(gòu)的DNA探針，具有良好的特異性。完成基因檢測的CTCs，保持了良好的活性，通過與免疫T細胞的共培養(yǎng)，研究者們發(fā)現(xiàn)，部分腫瘤細胞在免疫抑制劑存在時，細胞形態(tài)發(fā)生了明顯的變長，且細胞增殖行為被顯著抑制（圖2）。根據(jù)腫瘤細胞PD-L1的表達情況，研究者們劃分出了PD-L1高表達與低表達的閾值；另外，根據(jù)腫瘤細胞與免疫細胞共培養(yǎng)的結(jié)果，研究者們劃分出了腫瘤細胞形態(tài)發(fā)生變化的閾值。綜合CTCs中PD-L1高表達（PD-L1high）且表型發(fā)生變化（PA+）的占比，該研究定義了一種新的指標，“NICHE指數(shù)”，用于預測癌癥患者響應免疫療法的療效。
圖2. NICHE芯片上實時分析CTCs與免疫細胞互作
為了評估NICHE在臨床上預測免疫療效的準確性，該研究收集了80名非小細胞肺癌患者的外周血，通過在NICHE平臺上的檢測，證明了該平臺捕獲 CTCs 并鑒定其基因和行為表型的能力（圖3）。從方法對比結(jié)果來看，該研究提出的NICHE指數(shù)表現(xiàn)出高準確性，其AUC（0.906）明顯高于目前臨床上基于腫瘤組織中PD-L1表達細胞占比的標準參考方法（AUC=0.578）。此外，研究者們還對部分患者進行了長時間的用藥監(jiān)測，證實了NICHE在長期監(jiān)測中的適用性。
圖3. 采用NICHE系統(tǒng)對肺癌血樣中的CTCs進行捕獲與分析，并實現(xiàn)了患者免疫治療的精準預測
目前，團隊正在聯(lián)合北大腫瘤醫(yī)院吳楠主任制定一項行業(yè)標準，用于肺癌免疫治療獲益人群篩選，以達到肺癌個性化醫(yī)療，有望降低臨床癌癥醫(yī)療負擔。
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