可穿戴设备 CircTrek：实现单细胞分辨率下循环细胞的连续监测

为解决循环细胞无法连续监测的问题，研究人员开发 CircTrek，可连续监测循环细胞，助力医疗发展。

　　

循环细胞监测新突破：CircTrek 可穿戴设备的诞生

在医学领域，对循环细胞的监测就像为人体健康装上了 “侦察兵”，能够及时发现身体内部的异常变化，为疾病的诊断、治疗和预后评估提供关键信息。想象一下，在癌症治疗过程中，医生可以实时掌握患者体内循环肿瘤细胞（CTCs）的数量变化，以此精准判断治疗效果；或者在免疫治疗时，随时了解如嵌合抗原受体 T 细胞（CAR T 细胞）等免疫细胞的动态，及时调整治疗方案，这将极大地提升医疗的精准度和有效性。

然而，目前的监测方法却存在诸多困境。传统的基于抽血的技术，就像断断续续的 “快照”，只能提供不连续的信息，很容易错过关键的治疗时机。而体内流式细胞术（IVFC）虽然有了进步，但因其设备体积大、透射配置不适合人体等问题，难以实现连续监测。开发一种能够连续、实时且精准监测循环细胞的设备，成为了医学领域亟待攻克的难题。

麻省理工学院（MIT）媒体实验室和材料科学与工程系的研究人员，勇挑这一挑战，致力于研发一款新型设备。经过不懈努力，他们成功开发出了 CircTrek—— 一款可穿戴设备，相关研究成果发表在《npj Biosensing》上。这款设备如同一个小巧的 “健康卫士”，能够以单细胞分辨率连续监测循环细胞，为医学研究和临床应用带来了新的曙光。

研究关键技术方法

为了实现这一突破，研究人员运用了多种关键技术。在光学设计方面，采用聚焦和脉冲激发光技术，配合一系列光学滤波器，有效增强了荧光信号，提高了信噪比（SNR），使设备能够精准捕捉到微弱的细胞荧光信号。电路设计上，定制了小型化的激光二极管驱动电路、信号处理电路等，将所有必要电路集成在一块仅 42mm×35mm 的印刷电路板（PCB）上，确保设备的紧凑和高效运行。同时，选用对单细胞荧光信号敏感的硅光电倍增管（SiPM）作为光探测器，并通过双探测器设计和优化的信号处理算法，进一步降低噪声干扰，提升检测的准确性。

研究结果

1. CircTrek 的设计与性能：CircTrek 的体积仅为 44mm×39mm×15.5mm，和商业智能手表大小相近，便于日常佩戴。它能够兼容多种人体适用的细胞标记技术，无论是体外标记、体内基因递送还是基于抗体的荧光染料标记，都能很好地适配。研究人员通过模拟人体皮下脉动血流和皮肤 - 光相互作用的体外实验装置，对 CircTrek 进行测试。结果显示，它能够在模拟皮肤的组织模型下检测到单个细胞，平均信噪比达到 11.9，展现出了卓越的检测能力。
2. 静态与流动细胞检测能力：在静态细胞检测实验中，研究人员使用被 Cy5.5 标记的单核细胞进行测试。他们发现，CircTrek 可以清晰地检测到细胞信号，信号强度与细胞距离激光中心的距离有关。在距离激光光斑中心约 70μm 的范围内，细胞产生的信号能够明显超过检测阈值，该区域被定义为检测视野（FoD），这表明 CircTrek 在静态条件下具有良好的单细胞检测性能。对于流动细胞检测，研究人员通过连接微流控芯片和灌注泵模拟细胞在血管中的循环。实验中，细胞以 2.5mm/s、3.75mm/s 和 5mm/s 的速度流动，这与人体血管中的血流速度范围相符。通过同时记录 CircTrek 信号和共聚焦显微镜视频，研究发现 CircTrek 能够可靠地检测到单个荧光循环细胞，并且其细胞计数与手动视频计数结果吻合良好，尽管 CircTrek 的计数略高，但这主要是由于检测视野和细胞信号差异等因素导致的。
3. 安全性与可靠性评估：CircTrek 使用聚焦光来增强信号，但聚焦光可能会对组织造成损伤，因此安全性评估至关重要。研究人员通过实验验证的蒙特卡罗模拟和热传递模拟，评估了设备的光热安全性。结果表明，在 CircTrek 使用的 5.5mW 激光功率下，皮肤表面附近的温度升高仅为 1.51°C，远低于引起组织热损伤的 44°C 临界阈值，证实了其在测试条件下的光热安全性。此外，研究人员还对设备检测目标循环细胞的频率进行了评估。以 CAR T 细胞为例，假设血管网络可以用泊松线过程（PLP）建模，计算出在特定条件下，CircTrek 检测 CAR T 细胞的频率约为 0.044 细胞 / 秒，即大约每 23 秒检测到一个 CAR T 细胞。这一检测频率可以用于实时跟踪体内细胞动态，为治疗预后提供关键信息。

研究结论与意义

CircTrek 的成功开发，是循环细胞监测领域的重大突破。它不仅能够实现单细胞分辨率下循环细胞的连续监测，而且在安全性和检测频率方面表现出色，为多种临床应用提供了可能。在癌症治疗中，医生可以利用它实时监测 CTCs，及时发现癌症复发或治疗失败的迹象；在细胞疗法中，通过监测 CAR T 细胞等免疫细胞的动态，优化治疗方案，提高治疗效果；还能在疾病早期诊断中发挥重要作用，例如监测循环浆细胞，评估无症状的冒烟型多发性骨髓瘤（SMM）进展为活动性疾病的可能性。

尽管 CircTrek 还面临一些挑战，如在存在自发荧光的情况下设备性能尚未测试，荧光标记带来的监管障碍等，但它无疑为医学研究和临床实践开辟了新的道路。随着技术的不断完善和发展，CircTrek 有望成为医疗领域中不可或缺的工具，为人类健康事业做出更大的贡献。