《NMT 通讯》第一期
特邀综述
非损伤微测技术在肿瘤个体化治疗中的潜在应用
刘蕴琦
1，*
，叶斌
2
，陆旭
3
，杨鑫
3
1
中关村 NMT 联盟，北京 100080；
2
旭月（北京）科技有限公司，北京 100080；
3
北京医院，北京 100730
摘要：非损伤微测技术（Non-invasive Micro-test Technology，NMT）是一种研究活体材
料生理功能的技术，可在不损伤样品的前提下检测分子 / 离子进出生物活体的三维流速信息。
因其活体检测、非损伤性、高分辨率、动态实时等特点，常用于探索其它技术难以测得的生
理特征。NMT 虽广泛应用于医学生理学、植物学、动物学等领域，而且已成为植物逆境研
究的必备技术，但作为二十一世纪的一门新兴技术，在各学科研究方向愈加细化的发展趋势
下，NMT 研究依旧存在众多空白地带。当前，在国内外恶性肿瘤死亡率持续高企的背景下，
非损伤微测技术在肿瘤研究中的成果与日俱增。本文介绍了 NMT 近年来在肿瘤生理研究特
别是肿瘤个体化治疗中的潜在应用，其中包括神经、消化系统等与肿瘤研究相关的应用。
关键词：非损伤微测技术；肿瘤；流速；离子；分子
1� 非损伤微测技术
1�1� 非损伤微测技术概念
非损伤微测技术（Non-invasive Micro-
test Technology：NMT）是一种超高灵敏度，
非接触、流速为单位，检测材料外部离子分
子浓度及其梯度的技术。
1�2� 非损伤微测技术起源
非损伤微测技术（Non-invasive Micro-
test Technology：NMT）及其命名，是前
美国航空航天局高级研究员、美国扬格公司
和北京旭月公司创始人许越教授，在匡廷云
院士、杨福愉院士、林克椿教授的启发和帮
助下，以美国科学家 Lionel Jae 离子振荡
电极技术为理论基础，经过 20 多年的 不懈
努力，经过模块化、自动化、专业化、智能
化、标准化的技术创新，商品化、商业化、
产业化、国产化、国际化的应用创新，拥有
自主知识产权，并于 2021 年通过科技部认
定机构的‘国际领先’评审。
1�3� 非损伤微测技术特点
NMT 具有诸多优于同类技术的特点。
（1）活体非损伤，即能够保持被测样品完
收稿日期：2022-10-10；接收日期：2022-10-10
* 通讯作者 E-mail: yunqi@nmtia.org.cn
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整且在真实生理环境状态下进行检测；（2）
实时动态，获取的是一段时间内样品的实时
动态数据；（3）高分辨率，NMT 的流速分
辨率能够达到 10
-12
mol • cm
-2
• s
-1
，相比
于测浓度，高出 3-6 个数量级；（4）样品
尺寸范围广，从富集的细胞器到单细胞、细
胞层、组织、器官甚至生物整体 [6] ，均可
以检测；（5）样品无需标记，便捷且安全
环保；（6）可测分离子指标众多，Ca
2+
、
H
+
、K
+
、Na
+
、Cl
-
、Mg
2+
、Cd
2+
、NH
4
+
、
NO
3
-
、O
2
、H
2
O
2
、吲哚乙酸（IAA）、谷氨
酸（Glu）等指标 [2, 6] 均已实现商业化检测。
随着技术的发展，NMT 能够测量的离子分
子种类也在不断增加，为获得生物样品内外
分子 / 离子运动的信息提供了理想的实验平
台，其目前已广泛运用于医学、植物学、动
物学、农业科学、药物学、环境科学等研究
领域。
2� 肿瘤个体化治疗研究现状
近年来肿瘤化疗进展显著，但在不同种
族乃至个体间仍存在比较明显的化疗敏感性
差异。当前常用的肿瘤治疗药物的有效性低
于 70%，20%-40% 的患者甚至可能接受了
错误的治疗 [7]。如何鉴别患者之间存在的
个体差异，并利用这些差异来合理地指导临
床用药，已经成为医学界日益关注的焦点。
在肿瘤个体化治疗研究中，基因组学、蛋白
质组学、代谢组学等被广泛应用，推动着新
靶点筛选、靶向药研发、化疗方案等的优
化和改进 [7]。但是，当前研究依然立足于
“肿瘤是一种分子病，根本原因是基因的改
变”[8] 这一观点，研究对象也为离体的肿
瘤细胞。事实上，机体内肿瘤细胞周围环境
深刻影响着其增殖的速度、方式等特性，而
离体培养的细胞是在特殊环境下进行增殖，
极有可能出现与原位肿瘤细胞不同的表现
型。随着后基因组时代组织微结构理论和干
细胞理论 [9, 10] 的出现，研究人员发现，
肿瘤细胞和组织微环境对于肿瘤的个体化治
疗起着举足轻重的作用。但是，如何精确测
量活体肿瘤细胞和组织与其所处微环境之间
的物质和能量交换，成为这一研究的桎梏。
3� 非损伤微测技术在肿瘤个体化治疗中的潜
在应用
图 1. 非损伤微测技术检测实时截图。A. 拟南芥根部成熟区，B. 神经元细胞
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3.1. 非损伤微测技术在肿瘤药敏试验中的潜
在应用
3.1.1. 肿瘤药敏试验指导化疗药物个体化现
状
在恶性肿瘤治疗的诸多手段中，化疗作
为一种全身性的肿瘤治疗方法，可最大限度
地杀灭患者体内的肿瘤细胞。但在临床实践
中，化疗效果往往不尽如人意，这其中，肿
瘤细胞对化疗药物产生耐药是困扰肿瘤治疗
的关键性问题。据美国癌症协会估计，90%
以上的肿瘤死亡者，在不同程度上受到耐药
影响。随着分子生物学、细胞生物学的进展，
目前已创立体内和体外两大系列、十多种药
敏试验方法。
3.1.2. NMT 用于肿瘤抗药性研究
肿瘤胞外呈酸性可以有效地阻断药物
进入细胞或中和药物，并且将药物隔绝在酸
性的细胞囊泡中以阻止药物到达细胞内的作
用靶点，从而降低其对肿瘤细胞的杀伤作
用。宋谨等 [4] 使用非损伤微测技术建立了
药物抗性研究方法（drug resistance study
method, DRSM），该方法可用于研究器官、
组织、细胞外离子、分子活性与肿瘤细胞耐
药性之间的相互关系。结果显示，耐药株乳
腺癌细胞 H
+
流在加阿霉素前趋近于零，而
敏感株乳腺癌细胞 H
+
呈明显内流。敏感株
和耐药株加阿霉素后 H
+
均呈外流，但耐药
株的 H
+
外流为敏感株 5 倍（图 2）。研究
为胞外 H
+
活性与肿瘤耐药性的相互关联提
供了直接证据。
3.1.3. 非损伤微测技术在药理学研究中的应
用
在化疗药物敏感性检测方法中，原代肿
瘤细胞培养是迄今为止最为理想的药敏试验
方法之一。但近期的研究表明，组织结构的
改变为组织内细胞的增殖分化提供了不利的
微环境，导致肿瘤的发生。从对肿瘤细胞的
研究深入到对肿瘤组织的研究，更能够从本
质上解释肿瘤的发病机理。Zhu 等 [13] 利
用非损伤微测技术，直接实现了对大鼠结肠
粘膜的 Cl- 流速的检测，研究结果显示，恩
他卡朋诱导了大鼠结肠粘膜中 cAMP 依赖的
Cl- 外流 [11, 12]。此外，还发现大鼠结肠粘
膜在大黄素作用下出现大量的 Cl- 外流是与
肥大细胞脱粒以及粘膜下胆碱能和非胆碱能
神经元的激活密切相关。
3.2. 非损伤微测技术在肿瘤代谢组学中的应
用
3.2.1. 代谢组学在肿瘤个体化治疗中的应用
现状
图 2. ADR（阿霉素）处理前后乳腺癌细胞 H
+
净流速。
正值表示外排，负值表示内流。
●耐药株 MCF-7/R，□敏感株 MCF-7/S
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PDT 引起神经胶质瘤细胞死亡的分子机制，
显示出癌细胞的死亡可能与 Ca
2+
内流和 K
+
外流这个转变的发生有关。
3.3. 非损伤微测技术在靶向个体化抗癌药物
研究中的潜在应用
3.3.1. 靶向个体化抗癌药物研究现状
分 子 靶 向 抗 肿 瘤 药（molecularly
targeted cancer therapy）是指针对在肿瘤
发生、发展过程中具有关键作用的特定分子
靶标进行治疗的药物 [19]。目前已经成为恶
性肿瘤治疗的新手段，日益受到临床重视。
靶向抗肿瘤药物包括具有靶向性的表皮因子
阻断剂、针对某种特定细胞标志物的单克隆
抗体、针对某些癌基因和癌的细胞遗传学标
志的药物、抗肿瘤疫苗及基因治疗等 [20]。
黄灿等 [21] 应用 SP600125 抑制剂后，发
现肿瘤细胞 p-JNK 蛋白的表达和细胞凋亡
率均增加，同时还发现 JNK 信号传导途径
参与肝癌多药耐药 MDR 基因及多药耐药蛋
白 p-gp 的表达，对肿瘤耐药有调控作用。
JNK 作为促细胞凋亡因子，是肿瘤治疗研究
的方向之一，NMT 也已经在细胞凋亡及凋
亡因子方向的研究取得了一定的成果。
3.3.2. 非损伤微测技术在细胞凋亡研究中的
应用
Keefe 等 [22] 检测了受精卵在 H
2
O
2
处
理下的形态和胞外 K
+
的变化。实验发现细
胞凋亡被 H
2
O
2
等物质激活，并利用非损
伤微测技术观察到显著的 K
+
外流，这是由
于细胞启动程序性死亡时会激活 K
+
通道。
肿瘤细胞独特的代谢特点使其在生长增
殖中产生异于寻常的代谢物。利用代谢组学
技术对这些特异性代谢物进行分析，寻找新
型标记物，目前已在肿瘤的筛查及早期诊断
中取得了可喜的成果 [14-16]。代谢组学能
够通过对药物代谢动力学及对药物引起的内
源性代谢物变化方面的研究，检测出药物引
起的内源性代谢物的变化，直接反映体内生
物化学过程和原因，阐明药物作用靶点或受
体，指导抗肿瘤细胞药物的个体化治疗，以
评价临床疗效及安全性。
3.2.2. NMT 在肿瘤细胞凋亡标志物研究中的
应用
NMT 目前可检测到的分子、离子相对
分子量均小于 1000，从广义的概念上说，
NMT 检测到的分离子流速，可归为代谢组
学的范畴。由于 NMT 的活体检测优势，相
对于传统代谢组学，可以在不损伤样品的情
况下检测代谢产物，可谓“活体代谢组学”。
目前，在化疗、放疗法等疗效不稳定且有较
大的副作用的背景下，光动力疗法（PDT）
作为一种微损伤的治疗手段逐渐地进入人
们的视野。Song 等 [17] 以口腔鳞状癌细胞
（OSCC）作为研究对象，通过非损伤微测
技术检测显示，PDT 处理后，O
2
内流逐渐
增加，Ca
2+
外排速率也明显高于未处理组，
同时，细胞凋亡率、凋亡因子等各项指标均
上升。这一研究结果表明，O
2
及 Ca
2+
流速
变化可能是 PDT 诱导的细胞凋亡的早期信
号。Hu 等 [18] 发现，正常状态下 C6 神经
胶质瘤细胞 Ca
2+
少量外流，K
+
内流，PDT
干预后，发生明显的 Ca
2+
内流和 K
+
外流，
细胞发生死亡。这项研究更进一步的揭示了
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图 4. 神经元 O
2
净流速，正值表示内流，负值表示外
流。神经元 Bcl-xL 的表达量与 O
2
内流速率成正比。
Ctl：正常对照组，Bcl-xL shRNA：Bcl-xL 表达抑制组，
Scr.：Bcl-xL 超表达组；背景值：垂直方向上远离细
胞 200μm 后的测量值。
图 5. 对照组以及 Aβ（β 淀粉样蛋白）处理后的初级
皮层神经元在谷氨酸刺激下 K
+
的净流速，正值表示
吸收，负值表示外排。Aβ 处理后的神经元，在谷氨
酸的刺激下 K
+
外排速率明显大于对照组。
Valencia 等 [23] 发现 1μM 十字孢碱处理
T 细胞后，在引起 T 细胞凋亡的同时，利
用非损伤微测技检测到快速的 K
+
外流，约
15min 达到峰值，随后减弱（图 3）。与此
同时，利用膜片钳技术也记录到 K
+
通道的
电流增加，并伴随着膜去极化的急剧下降。
研究认为离子流作为细胞凋亡的早期事件，
K
+
外排引起了细胞的收缩，激活了凋亡蛋
白酶，从而诱发凋亡。Bcl-xL 促进线粒体和
胞质之间代谢物的交换，是成年大脑中主要
的抗细胞凋亡蛋白，Bcl-xL 过表达增加了突
触的数量和大小。Alavian 等 [24] 发现 Bcl-
xL 过表达的神经元有更高的 ATP 水平，且
外源 Bcl-xL 能够减少或者抑制 ATP。神经
元O
2
流速检测结果显示，Bcl-xL 过表达神
经元的 O
2
内流速率相对较小（图 4），非
损伤微测技术为 Bcl-xL 引起神经元代谢效
率增加提供了又一代谢上的证据。
3.4. 非损伤微测技术在离子失衡诱导的疾病
中的应用
Ca
2+
是机体各项生理活动不可缺少的离
子。它对于维持细胞膜两侧的生物电位、神
经传导功能、正常的肌肉伸缩与舒张功能起
着重要的作用，某些激素的作用机制也是通
过 Ca
2+
表现出来的。Ca
2+
的失衡会引起诸
如糖尿病、风湿病、呼吸道疾病、神经疾病
等等，其与肿瘤的形成也有密不可分的关系。
图 3. STS（十字孢碱）处理 T 淋巴细胞后的 K+ 净流
速，正值表示外排，负值表示内流。高浓度 STS 处
理较低浓度 STS 处理，K
+
外排更迅速，峰值更大。
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Shabala 等 [25] 研究 β- 淀粉样蛋白（Aβ）
在阿尔茨海默症发病机理中的作用时发现，
1μMAβ 处理初级皮层神经元后，在谷氨酸
的诱导下 K
+
外排速率明显大于未经 β- 淀粉
样蛋白处理的对照组（图 5），Ca
2+
也出现
了同样的外排速率增大趋势。研究表明神
经元失去维持 Ca
2+
和K
+
平衡的能力可能是
细胞对 Aβ 早期反应的指示。Chung 等 [26]
在研究阿尔茨海默症的金属螯合疗法时发现
Zn7MT-2A 可阻止 Cu(II)Aβ 诱导的氧化胁迫
对神经元产生的不利影响，非损伤微测技术
检测结果显示，Cu(II)Aβ 引起神经元 K
+
外
流，Ca
2+
内流，而加入 Zn7MT-2A 会阻止
Cu(II)Aβ 引起的流的改变，Zn7MT-2A 维持
了神经元的 K
+
、Ca
2+
平衡，降低了 Cu(II)
Aβ 对神经元的损伤作用。
3.5. 非损伤微测技术与膜片钳技术结合在肿
瘤研究中的应用
非损伤微测技术已经与激光共聚焦技
术、膜片钳技术等技术结合，实现了分离
子信息交换的内外兼测。Yang 等 [27] 利用
NMT 与膜片钳技术，发现鼻咽癌细胞在低
渗环境发生细胞调节性容积减小这一过程的
中，K
+
外流指出现在最初的一段时间，随
着胞内 H
+
外流至细胞外表面导致膜上的 K
+
通道关闭后，H
+
的外流代替了 K
+
的外流。
这是第一次发现在低渗诱导的细胞调节性容
积减小过程中 K
+
和 Cl
-
的转运不偶联，一定
程度上推翻了先前膜片钳研究的结论，而且
发现 H
+
外流在细胞体积调控中扮演着重要
作用。未来，非损伤微测技术将在主动运输
离子或分子泵和协同运输载体的研究方面发
挥重大的作用。
4. 展望
非损伤微测技术已被广泛应用于植物逆
境、光合机理、神经疾病、信号转导等诸多
研究领域，尤其在植物逆境研究中，已形成
了一套完善的实验方法体系，并且成为该领
域研究中的必备技术。而肿瘤个体化治疗正
处于应用研究的初级阶段，空白领域多，研
究空间广，成果前瞻性强，且国内外相关的
理论和实践研究已经确认了肿瘤患者间的异
质性和肿瘤内的异质性，前者已被广泛认知：
任意两个癌症患者的临床过程和治疗方案不
可能完全相同，这一直是个性化治疗的重要
原则 [28]。而组织微结构理论和干细胞理论
指出 [9, 10]，细胞外间质成分是各种致癌
因素首要的攻击靶点，它所引发的细胞间信
号交流异常是细胞失控性增殖的主要原因。
这为当前肿瘤个体化治疗研究开辟了一条崭
新的道路，即根据个体患者体内组织或细胞
微环境的特点，灵活选择相应的治疗手段。
非损伤微测技术以其特有的活体检测、非损
伤性、高分辨率、动态实时等优势，为该理
论提供了极为重要的技术支持，纵观非损伤
微测技术在植物研究领域的成功轨迹，其必
将成为活体组织及细胞微环境生理研究的利
器。
除了本文介绍的有关肿瘤个体化治疗研
究外，非损伤微测技术在肿瘤研究的其他领
域中也有非常广阔的应用前景。比如，在肿
瘤发生机制研究中，目前对于物理、化学、
生物、遗传等致癌因素对正常活体组织或细
胞生理功能，尤其是分子离子进出情况影响
的研究还比较少，而分子离子进出细胞膜的
速率和方向实时表征了该活体组织或细胞的
大部分生理活动，对于研究各种致癌因素对
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人体不同部位正常活体的组织或细胞的影响
机制具有重要意义；非损伤微测技术不但能
够实时监测一种或多种致癌因素对特定组织
或细胞分子离子流速的短时间或长时间影
响，进行相关机理研究，而且能够通过正常
与癌变的活体组织或细胞的分子离子流速的
对比，来绘制癌变的组织细胞分离子流速谱
图，以此为依据指导临床研究。综上所述，
利用非损伤微测技术开展更深入的与肿瘤直
接有关的研究日益受到重视，必将成为今后
研究的热点。
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