基于微流控芯片的循环肿瘤细胞及肿瘤干细胞无鞘液流分选检测研究

As important tumor markers, the separation and detection of circulating tumor cell (CTC) and circulating cancer stem cell (cCSC) is of significance for evaluation of therapeutic efficacy, individual therapy, the early diagnosis and prognosis of malignant tumor. Although the development of cell separation and enrichment methods has resolved the separation and enrichment of CTC/cCSC to a certain extent, the inherent defects of these developed methods limit their actual applications. Therefore, based on the study and actual works on cells related microfluidic chips, herein, the project applicant plans to study an microfluidic chip for sheathless separation and detection of CTC and cCSC from blood samples, namely: design and preparation of ultra-low aspect ratio microchannel system using a unique combination of spiral channel and a series of micro-obstacles, and further construct the passive label-free and sheathless microfluidic platform using the principle of different-sized cells and inertial microfluidics. Through regulating Dean flow in spiral microchannels by dimensional confinement, the inertial microfluidics technique can provide a great prospective tool for CTC separation with a high throughput and efficiency, and for label-free secondary separation of cCSC on the basis of cell adhesion capacity. Finally, the viability and identification analysis of CTC/cCSC are carried out. Based on the study, also, the project applicant plans to explore and investigate the related problems for the separation and detection of CTC/cCSC, which would provide innovative ideas for the development of miniaturized tumor diagnosis instruments and the exploration of new technologies and methods of CTC/cCSC.

作为重要的肿瘤转移标志物，循环肿瘤细胞(CTC)及循环肿瘤干细胞(cCSC)的分选检测对肿瘤患者的早期诊断、预后判断、疗效评价以及个体化治疗等都具有重要的指导作用。虽然目前细胞分选技术的发展在一定程度上解决了CTC/cCSC分选难题。但由于这些技术固有的缺陷限制了其应用。为此，本项目利用细胞尺寸及黏附性不同的原理，设计、制备微结构辅助的超低高宽比螺旋管道芯片结构，构建出被动式无标记和无鞘液流分选血液中CTC/cCSC技术的微流控平台。该平台通过对螺旋管道中迪恩涡旋流调控来实现血液中CTC的高效率分选，并利用cCSC的低黏附特性将其从分选的CTC中富集出来，最后对分选出的CTC/cCSC分别进行活性分析和鉴定检测分析。藉此，对CTC/cCSC的高效分选及鉴定检测相关难题进行研究，为微型化肿瘤诊断检测仪器的研制以及cCSC无标记分选、高效率鉴定及其分子水平特性的研究提供新思路和新手段。

惯性微流控技术巧妙借助微流体的惯性效应实现细胞的高效操控，已被广泛用于循环肿瘤细胞的分选检测。针对目前惯性微流操控技术存在的芯片制备高度复杂性、鞘液流高度消耗性、操作程序高度繁琐性及操控效率的不稳定性等问题，项目组通过将等序列分布的微结构和弯曲管道相结合，首次构建出一种多涡旋流辅助的多功能惯性微流控芯片平台。对比其它惯性微流技术，具有芯片制备更为简单、操作方式更为简便、样品灌注通量更高以及操控稳定性更强的优势。该平台不仅能够实现血液中CTC/cCSC无标记和无鞘液流的高效分选，为生物医学中微型诊断仪器的研制提供新的技术手段；还能实现多组分配伍和含量可控的微流孔芯片药物筛选平台构建，为多靶点抗癌的精准和高效筛选研究提供了新的研究方向。尤其是其具备芯片结构的紧凑性、空间利用的合理性、操作方法的高效性及细胞操控的精确性等优点，被认为是样品高效操控的一项开创性技术, 并被Advanced Science News以“Novel Microfluidics Strategy for Efficient Fluid Manipulation”为题作为专题报道。在项目的资助下，项目负责人以第一作者或通讯作者在Adv. Theory Simul., Sensor. Actuat. B-Chem.,Talanta等期刊发表论文8篇，其中研究亮点/封面论文1篇，微流控领域高质量期刊3篇；申报发明专利1项。课题培养硕士生4人，其中校级优秀研究生2名。项目负责人基于该课题的研究成果获评山西农业大学晋农新秀、山西省三晋英才。