PNAS：高通量微流控“力学筛选”揭示高转移癌细胞亚群

癌细胞要完成转移，必须从原发灶脱离、穿过狭窄的组织间隙和细胞外基质、进入并离开血液循环，最终在远端器官定植。这个过程不仅由基因和蛋白调控，也要求细胞能够在机械挤压下快速改变自身形状。因此，细胞形变能力正被视为反映恶性程度的重要力学表型。

真正棘手的问题不在于“能否测量”，而在于“能否把不同形变能力的活细胞快速分开，再做后续生物学研究”。

传统微柱或微障碍结构往往依赖细胞与固体结构直接接触，容易堵塞、损伤细胞，通量和长期稳定性也受限；实时形变细胞术通常可分析每秒约100至1000个细胞，但要从大规模样本中富集罕见的高风险亚群，仍需要更快、更稳且可回收活细胞的方案。

为此，新加坡国立大学Chwee Teck Lim团队提出：把“细胞形变能力”直接当作分选标签，在流体中完成连续、无标记的机械分群，实现了每分钟超过200万个细胞的连续分选，并把分选结果与细胞骨架、EMT（上皮-间质转化）相关蛋白、迁移侵袭能力和转录组变化逐层对应起来（图1）。

图1. 基于细胞变形能力的微流控平台用于细胞分选和细胞表型分析的示意图

研究团队在PDMS双螺旋微通道内壁设置周期性微结构，以稳定并增强Dean二次流。细胞在通道中受到剪切梯度升力、壁面诱导升力和Dean曳力等作用；较易变形的细胞还会产生额外的形变诱导升力，因此更靠近通道外壁，而较难变形的细胞则聚集在内壁附近，最终从不同出口流出。

这种方法不依赖抗体或荧光标记，也不要求细胞挤过狭窄筛孔。实验表明，平台能够在保持细胞活性的同时实现高速分选（图2）。

图2. 微结构辅助螺旋微通道中不同变形能力的细胞分布及聚焦受力分析

研究团队采用原子力显微镜、微流控微吸管和高速成像等方法验证分选结果。原子力显微镜测试显示，较难变形细胞的杨氏模量约为600 Pa，而较易变形细胞约为300 Pa。微吸管实验也表明，较易变形细胞的细胞核能够更快进入狭窄结构。

高速相机还可记录细胞在流动中的形态，并根据面积、周长和圆度计算形变指数。同一细胞在通道不同位置的测量变异系数低于5%，说明该方法能够较稳定地表征细胞形变能力（图3）。

图3. 多种策略评估分选后的癌细胞的变形能力

在MDA-MB-231和BT-549两种三阴性乳腺癌细胞系中，较易变形细胞呈现更细长的梭形形态，其F-actin纤维更短、排列更无序，并表现出Vimentin升高、E-cadherin降低等间质样特征。

Transwell实验进一步显示，较易变形细胞的迁移能力约为较难变形细胞的2至3倍，在Matrigel侵袭实验中也更容易穿过细胞外基质屏障。小鼠肿瘤切片显示，Vimentin高、E-cadherin低的间质样细胞更多分布于肿瘤外围，而上皮样细胞主要位于肿瘤核心，与高形变细胞偏向侵袭前沿的模型相吻合（图4）。

图4. 不同力学性质的细胞转移潜能评估

转录组分析显示，不同形变亚群的差异基因主要涉及细胞骨架和细胞外基质重塑等过程，并富集于Hippo、Wnt、TGF-β和mTOR等机械转导及EMT相关通路。抑制Wnt信号能够显著降低较易变形细胞的迁移能力（图5）。

基于本研究结果，该无标记平台不仅可用于富集具有高侵袭风险的癌细胞，还有望作为液体活检的前端分选工具，并与转录组分析及高通量药物筛选结合，为肿瘤转移风险评估和潜在治疗靶点发现提供新的技术路径。

图5. 不同形变能力细胞的转录组分析

研究意义

该研究建立了从高通量力学分选、细胞骨架与蛋白分析到迁移侵袭实验和转录组测序的完整研究链条。未来，这一无标记平台有望作为液体活检的前端富集工具，帮助识别更具转移风险的循环肿瘤细胞，并用于机械表型相关药物的高通量筛选。

该研究成果于2026年6月被《美国国家科学院院刊》（PNAS）接收后正式发表。新加坡国立大学Chwee Teck Lim（林水德）、山西农业大学Shaofei Shen（申少斐）与南方科技大学Xingyu Jiang（蒋兴宇）为论文共同通讯作者。论文第一作者为Xiaoyan Liu（刘晓艳），研究开展期间为新加坡国立大学博士后，现任职于华中科技大学生命科学与技术学院。

论文信息：

原文标题：High-throughput deformability-based microfluidic sorting reveals metastatic cancer subpopulations

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2604094123

【通讯作者介绍】：Prof. Chwee Teck Lim

Chwee Teck Lim教授是新加坡国立大学讲席教授，健康创新与技术研究所所长。他拥有新加坡国立大学机械工程学士和英国剑桥大学博士学位，研究兴趣围绕着人类疾病力学生物学，以及用于生物医学领域的微流控与可穿戴技术的开发。他参与合著了超过520篇期刊论文，在全球范围内发表了550余场邀请报告和主题演讲，并联合创办了六家初创公司，其中一家于2018年上市。林教授是美国国家工程院、英国皇家学会、英国皇家工程院等11个科学院的院士，其个人和团队也荣获了100余项荣誉，包括总统科学奖、总统技术奖、杰出校友奖、《自然》杂志科学指导终身成就奖、亚洲最具影响力科学家奖、高被引学者以及《华尔街日报》亚洲创新奖等。