基于微流控单细胞芯片的循环肿瘤细胞全基因组测序方法研究

Microfluidic technologies are emerging as powerful tools for single cell analysis, and whole genome sequencing of single circulating tumor cells could revolutionize the study of cancer genomics. In this project, we develop an integrated microfluidic system to isolate and collect rare circulating tumor cells in blood, and perform single cell level whole genome amplification. The system integrates a variety of components for single cell sequencing pretreatment, including CTC isolation, single cell capture, DNA extraction, and MDA based whole genome amplification. In the microfluidic platform, we can process dozens of single cells in a parallel manner, and perform sequencing pretreatment of rare cell samples. The microfluidic device was fabricated by multilayer softlithography, and the system comprised of a nanomagnet array for immnuo-capture of CTCs. An integrated control system was used to enable device operation, providing an efficient approach for high level automated single cell processing. Comprehensive sequencing and proper characterization of cellular heterogeneity of CTCs is the key factor to understand cancer metastasis, and has tremendous potential in cancer biomarker identification and personalized treatment development.

微流控技术已成为单细胞分析中强有力的技术手段，开展单个循环肿瘤细胞的全基因组测序分析，将为肿瘤基因组学的研究带来巨大的革新。本项目采用微流控技术构建了一个集成化的微全分析系统，可以筛选出血液中的稀有循环肿瘤细胞，并在芯片上实现单细胞水平的全基因组扩增。微流控芯片中集成了多个反应单元，包括循环肿瘤细胞分离、单细胞捕获、基因提取和基于MDA技术的全基因组扩增。在芯片中，我们能够平行地处理数十个单细胞，便捷地完成稀有细胞的基因测序样本制备。微流控器件的制作运用了多层软光刻工艺，并集成了纳米磁性阵列单元用于细胞捕获。自主研发的芯片控制器简化了芯片的操控，为单细胞分析提供了一种高效自动化的实现手段。针对循环肿瘤细胞的测序分析和单细胞水平的基因变异研究，可以深入理解癌症转移的机制，并且在癌症靶标识别和个性化治疗方面具有极大的潜力。

面向循环肿瘤细胞的单细胞测序是肿瘤基因组学的研究中重要的革新性技术，创新的微流控技术为单细胞水平的稀有细胞研究提供了强有力的工具。本项目完成了集成循环肿瘤细胞高通量分选和单细胞测序前处理的分析平台的搭建。我们开发的微流控级联式分选芯片可以实现更高效、高通量和高纯度的循环肿瘤细胞筛选，研制的单细胞测序前处理芯片可以捕获稀有细胞，便捷地完成稀有细胞的基因测序样本的制备流程，并采用了新型的液体-凝胶相变策略提高单细胞测序的效率。我们建立了从稀有细胞捕获到基因测序分析一体化的实验方法，发展了一种新型的微流控软磁结构芯片的制作工艺，并搭建了可用于临床研究的系统样机。本项目研究的稀有细胞分选和单细胞操控技术，为肿瘤的精准医学研究打下了基础，有助于深入理解癌症转移的机制，并且在癌症靶标识别和个性化治疗方面具有极大的潜力。项目执行期间发表SCI期刊论文5篇，申请发明专利7项。授权发明专利3项，授权实用新型2项。培养博士后3名、硕士研究生3名、本科生8名，形成了一支多学科交叉的微流控液体活检研发队伍。