Circulating tumor cells (CTCs) have received a great amount of attention, as they are known to promote metastatic spread of cancer. Despite a wide variety of techniques developed to utilize CTCs as a diagnostic and prognostic tumor biomarker, clinical trials based on CTC analysis have shown inconsistent benefits due to difficulties in isolating these heterogeneous rare cells with high sensitivity, as well as maintaining their viability. First, we developed a tapered slit filter (TSF) for high throughput isolation of viable heterogeneous CTCs. The numerical analysis and in vitro cell capture assay revealed that the optimal TSF prototype was capable to reduce the stress applied on cells by 10% compared to straight-walled slit filters (SSFs), which in turns enabled high throughput (25 mL/h), viable (87-94%), and highly sensitive (83-100%) capture of cancer cells, regardless of their epithelial/mesenchymal features. As a result, TSF outperformed conventional CTC isolation devices, as an EpCAM-targeting approach demonstrated low capture efficiency for mesenchymal-like SW620 cells (~10%), while sharp edges of the SSFs significantly reduced the cell viability (~70%). Second, we developed a viable CTC isolation method based on paraformaldehyde (PFA) treatment for sensitive capture of mesenchymal cells. In vitro cell line experiments revealed that both the epithelial-like and mesenchymal-like cancer cells improved the Young's modulus by more than 25 and 42% at 0.1% PFA concentrations, while preserving viability (90%) and size (99.2%). Consequently, PFA treatment enabled high throughput (50 mL/h) and very sensitive capture (100%) of mesenchymal cancer cells, with negligible reduction in specificity or cell viability, when using one of the filter-based CTC isolation devices. The clinical study using blood samples obtained from colorectal cancer patients further demonstrated that TSF and PFA treatment were capable to isolate heterogeneous CTC subtypes, which expressed epithelial, mesenchymal, or hybrid of epithelial/mesenchymal markers. The results presented in this study support that the new device has potential to provide in-depth information on pathological status of the patients.
혈중암세포는 원발암에서 떨어져나와 혈관침입을 통해 암 전이를 확산시키는 세포로, 암 진단 및 예후∙예측 마커로 활용이 가능해 많은 연구자들의 주목을 받고 있다. 하지만 이종성 혈중암세포 포획의 낮은 민감도 및 포획된 혈중암세포의 낮은 활성도로 인해, 혈중암세포 분석에 기초한 임상 시험은 낮은 유의성을 보여주었다. 본 논문에서는 이종성 활성유지 혈중암세포 고속 선별을 위하여 포획중 세포가 받는 하중을 감소시키는 경사진 슬릿 필터를 개발하였고, 암세포의 강성을 높이는 파라포름알데하이드기반 혈중암세포 분리 방법을 제안하였다. 먼저, 이종성 혈중암세포의 활성유지 분리를 위해 경사진 슬릿 필터(Tapered slit filter, TSF)를 개발하였다. 수치 분석 및 세포주 실험 결과, EpCAM 항체기반 분리방법은 semi-mesenchymal 세포인 SW620 포획시 낮은 민감도(~10%)를 보여주었으며, 크기기반 분리방법은 필터 가장자리의 날카로운 모서리로 인해 낮은 활성도(~70%)를 보여주었다. 이에 반해, 최적 TSF 프로토타입은 기존 크기기반필터 대비 포획중 세포가 받는 하중을 10 % 감소시킬 수 있어, 상피성 및 중간엽 암세포 모두 높은 처리속도(25mL/h), 활성유지(87-94%) 및 매우 민감한 포획(83-100%)을 가능하게 하였다. 두번째로, 변형성이 큰 중간엽 암세포의 높은 민감도 및 고속 분리를 위해 파라포름알데하이드(Paraformaldehyde, PFA)기반 CTC 분리 방법을 제안하였다. 세포주실험을 통해, 0.1% PFA 농도에서 상피성 및 중간엽 암세포 모두 활성도(90%) 및 크기(99.2%)를 보존하면서, 세포 영률을 각각 25, 42% 이상 향상시키는 것을 검증하였다. 이를 필터 기반 혈중암세포 분리방법에 적용할 때, PFA처리는 백혈구 제거율과 세포 생존력은 유지하면서 높은 처리속도(50mL/h)에서 중간엽 암세포의 민감한 포획(100%)이 가능하게 하였다. 이러한 TSF 장치 및 PFA 처리 방법을 바탕으로, 대장암 환자로부터 얻은 혈액 샘플을 사용하여 임상적용성을 확인한 결과, 상피성, 중간엽 및 상피성/중간엽을 동시 발현하는 이종성 CTC와 cluster를 분리할 수 있음을 추가로 입증하였다. 본 연구에서 제시된 결과는 환자의 병리 상태에 대한 심층적인 정보를 제공 할 가능성이 있으며, 환자의 정밀 분석 및 맞춤 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.