微流控芯片电化学细胞传感体系用于循环肿瘤细胞分选、捕获、检测与释放的研究

Human cancer is becoming a leading cause of death in the world and the presence of cancer cells known as circulating tumor cells (CTCs) in the blood of patients is an important hallmark of metastasis. Accurate and early detection of CTCs plays a significant role in the early detection of cancer, clinical diagnostics and cancer therapies. Herein, a microchip electrochemical cytosensor was developed for sorting, capturing, detecting and releasing of CTCs. Firstly, the thiolated aptamers were used as a selective bio-recognition element, attached to the gold nanoparticles (AuNPs) modified the indium tin oxide (ITO) electrode surface. After the target cells were captured, the hybrid nanoprobes were further assembled to form an aptamer-cell-nanoprobes sandwich-like system on the electrode surface. Finally, an electrochemical reductive desorption method was performed to break gold–thiol bond and desorb the components on the electrode surface for regenerating the cytosensor. We plan to use two types of breast cancer cells as the model, and the basic performance of the microfluidic chip system will be investigated. The feasibility of this microchip electrochemical cytosensor platform will be proved by the comparison with clinical cases. The work is expected to development a feasible tool for cost-effective cancer cell detection in early cancer diagnosis.

恶性肿瘤是目前威胁人类健康的常见疾病，循环肿瘤细胞（circulating tumor cell, CTC）与肿瘤的转移密切相关。CTC检测对于癌症诊断与治疗效果判断具有重要的意义。本项目拟开发一种微流控芯片电化学细胞传感器用于循环肿瘤细胞分选、捕获、检测与释放。首先利用氧化铟锡微阵列电极作为电化学反应电极，通过电化学沉积法在电极表面构建细胞传感界面。然后利用核酸适配体为生物识别元件特异性分选和捕获循环肿瘤细胞。通过层层组装方法，构成适配体-细胞-纳米探针三明治结构，实现电化学信号放大进行CTC检测。电化学检测结束后，通过电化学方法释放捕获的CTC。以乳腺癌细胞为模型细胞，考察微流控芯片电化学细胞传感系统的基本性能，指导优化并最终实现简便、高效、快速的CTC检测。通过使用临床样品证明该传感系统在临床应用中的可行性。本研究有望开发出一种新的肿瘤早期诊断平台，为肿瘤转移的早期诊断提供新的思路。

电化学生物传感器由于具有灵敏度高、操作简单、响应迅速等优点，可发展为理想的癌症诊断工具。对电化学生物传感器的优化和改进集中在以下两个方面：提高捕获效率，提高灵敏度。对于提高捕获效率而言，进行界面调控是一种有效的方法。适配体技术的出现，为生命分析提供了新的工具，相比于传统的抗体更具优势。但单链适配体在电极界面上易倒伏缠绕，严重影响传感器的性能。DNA四面体为上述问题提供了解决方法。使用DNA四面体进行界面调控，探针由无序状态到有序状态的转变，极大地改善了捕获效率。对于提高传感器的灵敏度而言，信号放大技术行之有效且被广泛应用。结合功能化的纳米材料和基于核酸杂交的信号放大技术，可以大大提高生物传感器的灵敏度，使其满足临床检测的需求。.本项目基于上述研究背景，围绕改善生物传感器的捕获效率和提高灵敏度两大方面，研究了电化学细胞传感器用于肝癌细胞的检测，主要包括以下几部分内容：.1.自组装DNA纳米结构适配体传感器用于无标记电化学检测肿瘤细胞：构建了一种无标记竞争型的电化学适配体传感器用于高效捕获、灵敏检测、可控释放肿瘤细胞。首先，通过硫金键的形成，将连有适配体序列的四面体固定在丝网印刷金电极上，细胞捕获效率得到了极大提高。然后我们合成了具有多孔结构的铂钯纳米笼，以提高DNA酶和辣根过氧化物酶的负载量。并通过核酸杂交的方法，在组装有DNA四面体的丝网印刷金电极表面形成了树枝状结构，大大提高了酶的负载量，用于信号放大。当肿瘤细胞存在时，可以与连有适配体的电极界面结合，从而将探针竞争下来。此外，该传感器还可对捕获到的细胞进行可控释放。这种方法对肝癌细胞HepG2展现了很高的选择性和灵敏度，检出限为5 cells/mL，对癌症的早期诊断和治疗有重要作用。.2. 基于多分支杂交链反应的DNA适配体传感器用于HepG2细胞的电化学检测：采用基于多分支杂交链反应放大策略的DNA适配体传感器用于人肝癌细胞(HepG2)的灵敏电化学检测。我们将DNA四面体通过硫金键固定在金电极上，使其更准确和有效地捕获HepG2细胞。同时，合成了功能化纳米探针MIL-101@AuNPs，上面负载了大量多杂交链反应产生的Hemin/G四联体DNA酶，以及HRP酶。这种杂化纳米探针同时具有特异性识别和酶信号放大的功能。通过形成的DNA四面体-细胞-纳米探针三明治结构，可以实现HepG2细胞的灵敏检测。