北京大学杨根副教授：通过CTC进行早筛的核心问题是缺乏高效率捕获

2020-12-28


癌症早筛KOL100系列专访

第12期




杨根 北京大学博士生导师


受访嘉宾简介:杨根，生物物理学博士，北京大学医学物理与工程专业博士生导师。2008年从中国科学院博士毕业后进入北京大学工作。教育部学位中心评审专家、国家自然科学基金/北京市自然科学基金/香港科学基金评审专家。近年来主持和参加了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目和青年项目等多项国家级项目；主持多项临床相关的技术开发和技术服务项目。在相关领域已发表高影响力论文二十余篇；申请国际和国内发明专利多项，并主导和参与多项与地方政府产业化合作项目。




1.可以简单介绍一下您和您的研究组吗？


大家好，我叫杨根，是北京大学物理学院医学物理及工程方向的博士生导师。我组里的研究方向是基于物理方法的癌症早期诊断和治疗，主要包括基于循环肿瘤细胞的癌症诊断治疗一体化和放射免疫治疗两方面的基础和应用基础研究。


2.循环肿瘤细胞（CTC）有什么重要的临床意义？在癌症早筛方面有什么应用？


众所周知，临床90%以上的癌症病人死亡的原因是转移。转移是指原发癌的癌细胞因自身原因在诊断或者治疗过程中脱落，通过循环系统全身散播并形成二次转移瘤的过程。转移的核心物质基础就是循环肿瘤细胞以及由循环肿瘤组成的细胞集群，也常简称为CTC和CTC cluster。

从美国禁烟20年后肺癌死亡率才开始大幅降低可以看出，癌症从发生到全身转移后致死的全过程可能需要约20年左右的时间。而原发癌在1~2立方毫米大小的时候，就会诱发血管新生过程（angiogenesis），此时CTC就已开始存在于外周血中。而临床目前灵敏度最高的PET-CT成像检测需要癌组织直径在0.5 cm以上才能较好的分辨，因而CTC比传统的癌症临床检测方法能提前数年早期发现，是癌症早筛极具潜力的核心对象之一。同时由于使用外周血即可检测，因此采样方便适应性好；且抓取的是患者体内正在循环过程中完整癌细胞的实时信息，因而自然而然CTC在肿瘤诊断和治疗的全过程都能发挥极为重要的作用。也正因为如此，CTC在国际国内已被写入多种癌症的诊疗指南和专家共识，包括乳腺癌、肺癌、结直肠癌和前列腺癌等。目前临床应用的核心障碍是如何提高检测效率，降低假阳性和假阴性，并建立和传统临床诊疗分期分型可比拟的标准，其中最核心的困难在于如何准确和高效地捕获到CTC。


3.目前 CTC 的捕获有哪些方法？有哪些局限性？


目前主要的方法大类上可以分为物理学、生物学以及两者联合的方法。

物理方法包括膜过滤、惯性聚焦、声波聚焦、螺旋形侧向移动等策略，其优点是原理简单、快速、成本低、通量高；缺点是捕获的特异性较差，白细胞残留多。如果不稀释，容易堵塞、凝血，如果稀释，体积又会很大。

生物学方法包括大家熟知的以Cellsearch为代表的EpCAM捕获、叶酸受体捕获、CD45反筛等策略，其优缺点与物理方法则恰好相反：优点是捕获得到的CTC纯度高白细胞干扰小，缺点是由于没有广谱的特异性生物标志物，导致正筛往往假阴性严重（如EpCAM-CTC的丢失），负筛假阳性严重（其他上皮细胞干扰），且通量较低，成本相对高。

物理和生物结合的方法是以麻省总医院CTC-iChip为代表的策略，综合了物理和生物方法两者的优点，但往往设计复杂，通量较低，转化相对困难。


4.您是如何想到要对 CTC 的检测芯片做出设计改良？


通过和临床沟通以及文献调研和专利调研，我们发现CTC捕获是这个行业最核心的基本科学问题之一。我们知道癌症治疗的根本途径要么能早期发现，就是早筛（美国有一个数据——2005到2015年的癌症患者5年存活数据——表明早期癌症治疗的5年生存率普遍很高）；要么对已转移瘤能有效治疗（如2018年获得诺奖的免疫疗法），而目前传统的手术放化疗对中晚期已转移癌症患者疗效不佳。

上学时，我记忆最深刻的一句话就是老师说，我们想问题时物理图谱要清晰。因此在选定CTC作为癌症诊断和治疗的主要突破点后，我们基于第一性原理从临床迫切需求和CTC捕获技术中的核心关键问题出发，通过文献和专利的广泛调研，设定了四个目标：一是准确率、捕获效率要高；二是系统的鲁棒性（可靠性）要好；三是设计原理要清晰且可用准确公式描述，以及在实践中可控（这个有利于我们做个体精准化，可以针对每个个体设计精准芯片）；四是为了治疗的需要，要求不对血液进行任何添加，能全血直接处理。后来我们也基本上是按这个思路做下来的。


5.可以介绍一下您关于新型微流控芯片设计的研究项目吗？


我们最早做过一段时间PET-CT探针，当时的目的也是想把检测限从0.5厘米往下降。做了一段时间之后，探针这个项目并没有达到我们预想的效果。到2013年的时候，我们开始尝试性探索CTC的捕获，进而对项目方向进行了调整，开始了新型微流控芯片设计的研究。

随后，项目幸运地在国家自然科学基金重点项目的资助下（2015.1-2019.12）逐步开展，期间也得到了北京大学核物理与核技术国家重点实验室和学校学科建设经费的部分支持。



6.这个新型微流控芯片设计，相比原有的检测方法，有什么优势？


主要的优势是通过简单可控自汇聚和分流结构设计，解决了99%以上不含有CTC血液成分的直接去除，初筛就实现了10的2次方初级富集效率，同时还有效地降流降速。这样使得后续根据尺寸和宏观杨氏模量在捕获阵列的二次富集（约10的2次方到3次方富集效率）成为了可能。整合起来便能达到10的4次方到5次方的富集效率，这对临床的诊断将很有帮助。而且这种方法如果应用到在体CTC捕获，因为每毫升血仅仅损失几百到几千个白细胞，对人体基本上没什么影响，因而还可以用于转移瘤的缓解和治疗。由于该系统不依赖于流速，因此在很大流速范围内系统的效率和鲁棒性都很好。

目前捕获芯片是玻璃基底的，捕获后根据临床需求可以通过核质比这一金标准、辅以多达6色免疫荧光组合和图像自动采集实现快速的定性和定量数据分析，同时芯片还可以实现CTC的收集、培养和后续针对性的药物筛选。


所以总的来说，我们的新型微流控芯片的优势是：效率较高、稳定性较好、成本低。


7.该新型微流控芯片完全属于自主开发、专利自持吗？


是的，我们拥有完全的自主知识产权。目前已申请两项泛癌症类型检测发明专利（含国际PCT专利）和一项泛癌症类型治疗专利。


8.这个项目在推进过程中，有没有遇到什么困难？得到过哪些帮助？


现在早筛行业中CTC技术路径的公司，之所以还没有像GRAIL等检测ctDNA那样如火如荼，有很多原因，其中最核心的原因还是在于缺乏高效率捕获和后续信息的提取。这些难题只要研究CTC就不可能避开，因而我们在探索过程的前期遇到了非常多的困难。


幸运的是，我们得到了特别多的支持和帮助，这些帮助也使得我们能一路坚持下来。其中主要包括：在完全不可预知研究结果的情况下，欧阳颀院士和王宇钢教授的大力鼓励和支持；在芯片的设计和实验中，罗春雄教授的合作和支持；在临床测试中，济宁任城区和济宁第二人民医院的大力支持帮助；在专利申请过程中，北京大学科技开发部田旸老师的大力支持；还有就是组里芦春洋等研究生孩子们一直以来坚持不懈的努力等等。在这里，我诚挚地向他们表示衷心的感谢。


9.您预期这个项目将会在哪些领域应用？


刚才提到，这个项目有完全自主知识产权的两个检测用专利（含国际PCT专利）和一个治疗用专利。

检测专利的临床转化我们希望能应用到泛癌症类型的早筛、疗效监测、预后、药物的筛选和长期复发监测中。这里说到的每一项，我们都已经有合作的医院在一起开始做了。当然现在我们还处于临床前研究阶段，大量的临床实验还需要做。

由于我们的捕获策略是不会往血液中添加任何物质，也几乎不影响血液里除CTC以外的其他成分，因此治疗用专利的临床转化有望和临床的血透析配合，实现全身CTC的捕获去除，以及基于捕获的全身CTC实现患者基因组和代谢组信息的实时全局获取和个性化药物筛选等。

总之，我们期望在为患者提供极低成本的癌症早筛诊断、转移缓解和治疗中贡献北大团队的力量。


10.这个项目产业和临床转化进展到什么阶段了？是否已经投入临床应用？


我们的部分专利已普通许可授权了一家公司，目前还在从实验室到临床的工程化过程中。也非常希望能有更多的工程化力量和资本力量来加入进来，一起加快这一癌症早筛和治疗策略的临床转化。


11.您希望寻求什么样的合作？目前产业转化有融资需求吗？


近期，我们的专利组由北京大学科技开发部作为北大成果正在推广（一种适用于循环肿瘤细胞捕获的微流控芯片），接受共同开发、技术许可、技术入股等多种方式合作。

关于融资，目前暂时没有需求。当然，如有投天使轮的投资方感兴趣，可以与学校科技开发部或与我联系。


12.接下来在癌症诊断和治疗上，您有什么新的科研计划吗？


主要包括两方面：一是针对CTC检测方面。从应用基础研究来说，需要进一步优化和简化流程，同时完成AI辅助CTC自动识别和临床简便好用的机电一体化整合；从临床研究来说，将继续和北京大学人民医院、北京大学肿瘤医院和北京协和肿瘤医院等单位相关科室合作，严格按标准建立合适的研究队列，完成该芯片测试数据和现有临床诊断标准的癌症分期等效兼容优化、药物筛选和复发监控等研究内容。

二是针对治疗用芯片，将进一步改进和完善芯片设计。短期实现动物模型中全身性CTC捕获去除对生存期等指征影响的相关研究；中期完善CTC体外培养、NGS测序、代谢组学表征和药物筛选的相关研究；长期在这些研究的基础上，按照国家规定开展志愿者实验，期望早日实现对已转移癌症患者的缓解、药物筛选，甚至是治疗。

如果可以，我想顺便发个招聘启事，目前组里正在招聘4名正式编制固定研究人员、6~8名博士后和1~2名实验员，待遇在相关规定从优的基础上进行额外绩效激励。非常欢迎有志向和理想解决临床泛癌症类型诊断和治疗的朋友们能加入我们（我的邮箱gen.yang@pku.edu.cn，理科专业均可，微机电、物理、医学、生物、计算机等专业优先）。希望和全球同行一起努力，争取早日解决癌症诊疗这一重大的社会和健康问题，谢谢！

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