基于电指纹差异的循环肿瘤细胞精准检测芯片研究

To meet the increasing demand of precise cancer diagnosis, our project proposes a novel microfluidic chip for label-free, precise detection of rare circulating tumor cells (CTCs) that detach from a primary tumor and then travel through the bloodstream. The fundamentals and key technologies involved in this novel microfluidic chip will be systematically explored on the basis of our previous research achievements on cell manipulation and detection. Specifically, a broadband impedance module integrated with inertial focusing and liquid electrode techniques will be developed. Label-free and precise discrimination of CTCs and residual white blood cells (WBCs) can be achieved based on their different electrical fingerprints. Secondly, a spiral inertial microfluidic module will be proposed to pre-sort CTCs from blood at an extreme high throughput, which will ensure the efficiency of downstream detections. Thirdly, a novel passive flow regulator will be developed to provide stable and accurate driving flows for CTCs sorting and detection. Finally, a polymer film chip integrated with sample injection, pre-sorting, and detection modules will be proposed and fabricated. Our novel, multi-functional microfluidic chip will enable the precise detection of rare CTCs in blood without using complex labeling and may serve as an important tool for the precise assessment of cancer metastasis at early stages.

面向癌症精准诊断的国家民生需求，结合课题组前期在细胞操控和检测方面的研究基础，本课题提出研究一种非标记、精准检测稀有循环肿瘤细胞的微流控芯片，及其所涉及的基础理论和关键技术，具体而言：(1)提出一种集成惯性预聚焦和液体电极差分检测的宽频电阻抗检测模块，基于多元"电指纹"参量差异实现循环肿瘤细胞的非标记、精准检测；(2)研究"多核"螺旋流道惯性分选模块，基于尺寸和变形性差异实现血液中稀有循环肿瘤细胞的高通量分选，有效保障后续检测的效率；(3)研究基于被动流量调节阀的集成进样模块，保障分选和检测所需的稳定、精确流量驱动；(4)采用聚合物薄膜芯片制备工艺和垂直多层装配技术，实现进样、分选及检测模块的多功能片上集成。本课题开发的循环肿瘤细胞多功能集成检测芯片无需复杂的特异性标记，可为癌症早期转移的精准评估提供重要工具手段。

项目提出一种基于细胞多元电指纹特性差异的非标记精准检测方法，针对检测原理和方法、高通量、精准检测的保障技术及原型样机开发等方面开展了系统的研究工作，取得的创新成果包括：（1）构建了融合多元电指纹差异的细胞非标记检测方法及集成惯性聚焦和液体差分电极的高效检测器件，检测通量达5000个细胞每秒；开发了面向高灵敏度检测需求的“液体电极”和“无引线电极”创新电极结构，检测分辨准确率达到95%以上。（2）设计了基于截面Dean流精准调控的高通量惯性分选微流控芯片，实现了惯性分选报道最高精度2微米尺寸差异细胞的分选；提出了融合多种技术的多级精确分选方法，实现了超常规被动分选技术100倍的超高纯度分选；提出了一种可在低阈值压力下输出稳定流量的三维空间结构被动流量调节阀，输出流量偏差小于5%。（3）研制了面向稀有循环肿瘤细胞高通量分选和多电指纹联合精准检测的微流控仪器，建立了基于聚合物薄膜和柔性导电薄膜的检测芯片制备工艺，采用激光切割和热塑封的快速制备方法，实现检测芯片的可抛弃使用和多功能片上高度集成。.在项目的资助下，以第一或通讯作者在Lab on a Chip (IF 7.517)、Analytical Chemistry (IF 8.008)、Sensors and Actuators B: Chemical (IF 9.221)及Science Bulletin (IF 20.557)等知名期刊发表SCI论文47篇（JCR Q1区29篇，IF>5的29篇，封面及亮点论文4篇）；撰写英文学术专著1章节；共计申请发明专利35项，其中已授权17项，申请PCT国际专利3项；培养毕业博士2人，硕士8人，获江苏省优秀硕士学位论文1人。项目负责人获英国物理学会IOP Publishing Top Cited Paper Award，入选Outstanding reviewer for Lab on a Chip，国际期刊ELECTROPHORESIS (JCR 2区)、In Vitro Diagnosis编委，江苏省“333高层次人才培养工程”中青年学术技术带头人，江苏省优秀青年基金。开发的样机在中大医院、鼓楼医院及江阴市第一人民医院等单位完成300余例临床应用研究，研究成果可为癌症微转移的早期诊断和有效预后评估提供潜在工具手段，具有重要的经济和民生价值。