微流控芯片用于肝细胞癌CTCs的单细胞分离、三维培养、收集以及检测的研究

Circulating Tumor Cells (CTCs) represent a real-time "liquid biopsy of the tumor" which is important for tumor diagnosis and treatments. However, tumor heterogeneity brings a great challenge to CTC research. Therefore, only single-CTC analysis can reveal the intrinsic biology of tumors. Moreover, in vitro CTCs are different from their phenotypes in vivo, which could not represent the biological features of primary tumors. While 3D cell culture of CTCs can mimic the microenvironments in vivo, therefore can be used to observe the essential characteristics of primary tumors. To achieve single cell capture, isolation, 3D culture, collection and clinical analysis of CTCs, we plan to develop a microfluidic chip-based single cell 3D culture-profiling system for CTCs On the basis of microfluidic and cell features, the chip proposes a method for single cell capture and isolation of CTCs from patients with hepatocellular carcinoma. Surface modification is performed to establish a 3D culture model of CTCs on chip. Finally, all the tumorspheres will be collected from the chip to be analyzed for the molecular subtype, genome, gene expression profile and effective anti-cancer drugs of the CTCs.

循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTCs）是具有肿瘤代表性的“液体活检”样本，对个体化肿瘤诊疗具有重要意义。然而肿瘤的异质性给CTCs的分析带来了巨大的挑战。因此，必须从单细胞水平上分析CTCs才能更清晰地揭示肿瘤的本质特征。同时，体外CTCs与在体时的微环境存在差异性，不能完全反映原发肿瘤的生物学特性，而三维培养技术可以模拟体内的情况，使CTCs更真实地复制原发肿瘤的关键属性。本研究拟开发一套基于微流控芯片的CTCs的单细胞三维培养-分析系统，来实现CTCs的单细胞捕获、分离、三维培养、肿瘤球的收集和临床分析。芯片基于细胞生物学特性和微流体力学原理实现肝细胞癌患者CTCs的单细胞捕获和分离，并通过表面修饰使细胞在芯片内进行三维培养，最后收集得到的单细胞肿瘤球可用于对CTCs的分子分型分析、全基因组的测序、基因表达谱检测和敏感抗肿瘤药物的筛选。

背景：循环肿瘤细胞(Circulating Tumor Cells, CTCs)是具有肿瘤代表性的“液体活检 ”样本，对个体化肿瘤诊疗具有重要意义。然而肿瘤的异质性给CTCs的分析带来了巨大的挑战。因此，必须从单细胞水平上分析CTCs才能更清晰地揭示肿瘤的本质特征。同时，体外CTCs与在体时的微环境存在差异性，不能完全反映原发肿瘤的生物学特性。目前，微流控芯片是研究细胞微环境、细胞代谢（尤其是单细胞代谢）等领域的重要研究手段之一。同时它还可以用于建立一个人工的仿生微环境，实现组织-器官水平的模拟，并且可以用于三维细胞的培养，以此为基础可以进行药物开发以及其毒理学等相关研究。通过这种手段，使CTCs更真实地复制原发肿瘤的关键属性。.主要研究内容：本研究拟开发一套基于微流控芯片的CTCs的单细胞三维培养-分析系统，来实现CTCs的单细胞捕获、分离、三维培养、肿瘤球的收集和临床分析。芯片基于细胞生物学特性和微流体力学原理实现肝细胞癌患者CTCs的单细胞捕获和分离，并通过表面修饰使细胞在芯片内进行三维培养，最后收集得到的单细胞肿瘤球。.重要结果及关键数据：本研究根据CAD设计并制作相应的模具制作了相应功能的芯片，该芯片可进行CTCs 的单细胞三维培养。同时我们在研究中利用相关技术，开发了肝癌捕获的纳米探针，在该技术下HepG2 细胞被识别并捕获并在 DNA电极表面上形成四面体细胞纳米探针三明治状结构。该检测下限建立的细胞传感器是每毫升 5 个细胞。此外，它提供了从 102 - 107 个细胞的广泛检测范围毫升。本研究也首次利用液体活检技术，对肝癌患者肿瘤特征MVI进行预测，并成功构建相关预测模型。.科学意义：本研究开发了相关微流控芯片并实现了对CTCs的分子分型分析、全基因组的测序、基因表达谱检测和敏感抗肿瘤药物的筛选；同时建立了相关细胞传感器用作肝癌早期诊断；利用液体活检技术建立了预测效能良好的模型，为肝癌患者的治疗策略提供帮助。