面向癌症早期个性化诊疗的免标记细胞筛选微纳操控方法

The concentration of cancer cells (malignant tumor cells) in the peripheral bloodstream or the lymphatic system is prognostic of metastatic disease in cancers. Thus, the separation of cancer cells from the blood is essential for clarify the mechanism of tumor metastasis and the individualized treatment. In this project, we study on the micro- and nanomanipulation with the combination of cell biology and electrokinetics based on optically-induced dielectrophoresis (ODEP). The cell rotation features and the difference of DEP force induced by a nonuniform electric field are first proposed as a special class of "biomarkers," which can be used to distinguish, sort and separate cancer cells. The aim is to develop a new high-throughput, label-free nondestructive cell separation method for the application of the early diagnosis and the personalized treatment of B-lymphoma patients. The method includes: to establish a combined electrokinetics and hydrodynamics model to achieve massively parallel manipulation of single cells with high precision; study on the label-free nondestructive separation mechanism of tumor cells and blood red cells (RBCs), and optimization of the gradient electric field; to establish an experimental platform integrating the ODEP chip with the PDMS microchannels, for discriminating and sorting the B-lymphoma from the B-lymphocyte cells and the RBCs. The launching of this project has special significance to improve the clinicopathological diagnosis and treatment of cancers.

癌症(恶性肿瘤)转移的预兆是具有侵袭性的癌细胞进入到外围血液或淋巴系统，因此从血液中分离出癌细胞，是阐明肿瘤转移机制与个性化诊疗的关键。本申请结合细胞生物学和电动力学，采用基于光诱导介电泳（ODEP）的微纳操控技术，首次提出将细胞旋转特性与受介电泳力的特性作为一类特殊的"生物标记"，阐明细胞旋转和受力与非均匀电场梯度之间的关系。发展基于ODEP的癌细胞识别、筛选及分离技术，旨在实现一种面向淋巴癌早期诊断与个性化治疗的高通量、免标记无损细胞分离方法。具体包括：建立光诱导非均匀电场条件下的细胞极化和电液动力学模型，实现细胞精确、并行操控；研究肿瘤细胞与血红细胞免标记无损分离的机制和梯度电场的优化设计；开展ODEP芯片与聚合物PDMS微流管道集成方法研究，建立高分辨率的实验验证平台，实现B淋巴瘤细胞从正常B淋巴细胞和血红细胞中的筛选与分离。本研究对于推动我国癌症的临床诊疗水平具有特别重要的意义。

随着科学技术的不断发展，单个癌细胞的原位检测、无损分离引起了广泛的关注，成为生物医学领域的研究热点之一。分离出癌细胞，是阐明肿瘤转移机制与个性化诊疗的关键。针对这一问题，本项目开展了深入的理论仿真与实验研究工作，主要研究结果如下：１）建立了淋巴瘤细胞与红细胞的极化模型，分析了非均匀电场条件下细胞所受DEP力与频谱特性，对细胞ODEP操控多物理场电液动力学进行了理论建模，优化了产生细胞确定性运动的参数条件。２）基于建立的理论模型，研究了梯度电场对具有不同几何尺寸和物理电学特性的细胞驱动差异，针对淋巴瘤细胞与红细胞的分选目标，建立了梯度电场设计理论。３）研究了细胞旋转及作为无损标记的特性，获得了细胞自转与对转的梯度电场条件。４）开展了细胞操控系统实现技术研究，完成了包括图形-虚拟电极-驱动力控制模块软件的软件设计，实现了细胞识别、筛选及分离的ODEP系统软硬件集成。５）提出了基于ODEP 光诱导电化学还原反应的金属电极制造方法，实现了金属电极的动态化、无模板化加工，金属电极的形状完全由电脑设计的光斑图形控制。６）围绕着细胞操控和组装，在利用ODEP方法开展细胞分离研究的基础上，进一步拓展了光诱导方法在生物细胞操控和图形化组装方面的应用。项目执行过程中，在Small、Biomicrofluidics、Scientific Reports和Optical materials express 、Biomaterials Science发表SCI论文９篇，国际会议论文４篇，圆满完成了基金预期目标。