神奇的可穿戴氧化石墨烯装置！从血液中高效捕获癌细胞 可作为活组织检查替代方案

密歇根大学的工程师和医生团队日前开发出一种新型的医疗可穿戴设备，可直接从患者的血液中连续收集活癌细胞，从而帮助医生更有效地诊断和治疗癌症。这一成果近期发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

“没有人想进行活组织检查。如果我们能够从血液中获取足够的癌细胞，我们就可以利用它们了解肿瘤生物学并直接护理患者。这就是为什么我们这样做的兴奋点。”密歇根大学罗杰尔癌症中心乳腺癌研究教授Daniel F. Hayes表示。

在可穿戴设备内部，血泵位于左上角，而肝素注射器沿着盒子的近侧延伸。绿色电路板控制血泵，肝素注射器并提供显示数据。 （图片：Tae Hyun Kim）

肿瘤可在一分钟内将超过1,000个癌细胞释放到血液中。目前从血液中捕获癌细胞的方法依赖于来自患者的样品——通常不超过一次抽取的分量。

即使是患有晚期癌症的患者，一些抽血也没有癌细胞，典型的样本中只含有不超过10个癌细胞。

在医院的几个小时内，新设备可以直接从静脉捕获癌细胞，筛选更大量的患者血液。在动物试验中，可穿戴设备中的细胞抓取芯片，每毫升血液中捕获的癌细胞数量——是抽血采集样本的3.5倍。

“这就像安全摄像头每五分钟拍摄一次快门与拍摄流畅视频的区别。如果‘入侵者’在快照之间进入，你就不会知道它，”Sunitha Nagrath博士说。 UM的化学工程副教授领导了该设备的开发。

研究表明，大多数癌细胞不能在血液中存活，但那些癌细胞更有可能开始出现新的肿瘤。通常，这些称为“转移灶”的卫星肿瘤是致命的，而不是原始肿瘤。这意味着，从血液中捕获的癌细胞可以提供比传统活组织检查更好的计划治疗信息。

该团队与科罗拉多州弗林特动物癌症中心的狗狗一起测试了上面提到的这种医疗装置，他与Douglas Thamm、兽医肿瘤学教授和临床研究主任VMD合作。他们给健康的成年动物注射了人类癌细胞，这些细胞在几小时内被狗的免疫系统消除，没有持久的影响。

在注射后的前两个小时，给予狗温和的镇静剂并连接到该装置，该装置筛选1-2％的血液。同时，狗每20分钟抽血一次，用相同设计的芯片收集这些样品中的癌细胞。

该装置将通常为烤箱尺寸的机器缩小至可佩戴在手腕上并连接到手臂静脉的东西。为了获得设计方面的帮助，工程团队求助于Laura Cooling，M.D。U-M临床病理学教授和血库副主任，负责管理全尺寸系统。

“最具挑战性的部分是将所有组件整合到一个设备中，然后确保血液不会凝结，细胞不会堵塞芯片，整个设备完全无菌，”Tae Hyun Kim博士说。

他们制定了将血液与肝素（一种可以防止凝血的药物）混合的方案，以及杀死细菌而不会伤害芯片上的细胞靶向免疫标记物或抗体的灭菌方法。 Kim还在3D打印盒中装入了一些最小的医疗级泵，其中包括电子元件和癌细胞捕获芯片。

该芯片本身是Nagrath实验室最高捕获率器件之一的新变化。它使用纳米材料氧化石墨烯来制造具有抗体尖端分子链的密集分布集群，使其能够捕获流过它的全血中80％以上的癌细胞。该芯片还可用于生长捕获的癌细胞，产生更大的样本用于进一步分析。