肿瘤细胞生物物理/化学特性高通量综合检测方法研究

Tumor heterogeneity has been regarded as the source of tumor therapy variations even when the same type of tumor or the same patient is taken into consideration. To deal with this issue, various measurement principles (e.g., flow cytometry and AFM) have been developed to characterize cellular properties at the single cell level. Although powerful, these techniques cannot quantify cellular biophysical and biochemical properties comprehensively in a high-throughput manner, which compromises tumor heterogeneity studies. In this study, we will develop a high-throughput and comprehensive measurement system to characterize tumor cells through the combination of MEMS based constriction channel, impedance spectroscopy, high-speed imaging, optical components and droplet PCR. In this system, equivalent electrical model and mechanical simulation model for single cell in MEMS based constrict channel will be proposed to extract intrinsic cellular biophysical properties, and the integration of MEMS based constrict channel with optical components and droplet PCR will be achieved to obtain intrinsic cellular biochemical properties. Therefore, statistically significant data of intrinsic cellular biophysical properties (e.g., specific membrane capacitance and Young’s modulus) and biochemical properties (e.g., expressions of tumor relevant genes and proteins) of tumor cell lines and patient tumor samples will be characterized by the high-throughput and comprehensive measurement system, which may help explore correlations between cellular biophysical/biochemical properties of tumor cells and tumor heterogeneity. Thus, this new measurement system may pave foundations for tumor heterogeneity studies and provide new perspectives for tumor diagnostics and treatment.

肿瘤细胞异质性造成同一种肿瘤细胞在不同个体甚至同一个体表现出的治疗效果及预后差异。面对肿瘤异质性挑战，肿瘤细胞生物特性检测方法（如流式细胞仪、AFM等）成为近年来研究热点，已有方法初步证实肿瘤异质性，但仍不能全面反映细胞生物物理和生物化学特性，制约了肿瘤细胞的检测、治疗和病理研究进程。本项目以肿瘤细胞系和肿瘤病人细胞为对象，采用MEMS芯片实验室、阻抗谱分析、高速摄像、光学组件和乳化液滴PCR等技术，建立基于MEMS芯片实验室的单细胞等效电学模型和力学仿真模型，研究集成光学组件与乳化液滴PCR的MEMS芯片实验室集成化方法，建立肿瘤细胞生物物理/化学特性高通量综合检测方法和实验平台，实现具有医学统计意义的肿瘤细胞固有电学特性、固有力学特性、特异性蛋白和变异性基因片段检测，探索肿瘤细胞生物物理/化学特性与肿瘤细胞异质性的关系，为肿瘤细胞识别与分型、个性化治疗等提供有力的检测方法和工具。

面对肿瘤异质性重大科学挑战，肿瘤细胞生物特性检测方法成为近年来的的研究热点，已有方法已初步证实肿瘤异质性，但仍不能全面反映肿瘤细胞生物物理和生物化学特性，制约了肿瘤细胞的检测、治疗和病理研究进程。本项目以肿瘤细胞系和肿瘤病人细胞样本为对象，提出压缩通道敏感新原理，建立肿瘤细胞电学、力学、蛋白等特性检测新方法，兼顾检测速度和准确度，实现具有医学统计意义的肿瘤细胞生物物理/化学特性的综合检测。.1）提出基于压缩通道的单细胞电学特性高通量检测方法，得到与细胞尺寸无关的固有电学特性--细胞膜比电容和细胞质电导率，检测通量比常规方法高10000倍，证实了基于单细胞电学特性区分肿瘤细胞系、细胞亚型、动物肿瘤样本和肿瘤患者循环肿瘤细胞的可行性。.2）提出基于压缩通道的单细胞电学/力学特性高通量同时检测方法，研制出单细胞固有电学/力学特性高通量检测分析仪，获得细胞膜比电容、细胞质电导率和瞬态杨氏模量，检测通量比常规方法高100倍，在北京大学、首都医科大学等医院和科研机构进行应用，得到肿瘤细胞的电学/力学特性参数的大数据结果，为后续单细胞生物物理特性提供参考标准。.3）提出基于压缩通道的单细胞蛋白特性高通量检测方法，研制出单细胞特应性蛋白高通量检测分析仪，实现细胞多种胞内蛋白个数的高通量检测，在北京大学口腔医院和北京市理化分析测试中心示范应用，得到多个肿瘤细胞系、肿瘤细胞亚型和肿瘤病人样本的特定细胞骨架蛋白结果，论证其作为肿瘤诊断和分型依据的可行性。.本项目实施过程中，在Biosensors and Bioelectronics, Sensors and Actuators B: Chemical、Lab Chip等传感器领域顶级期刊发表高水平论文45篇，其中SCI/EI检索论文42篇；撰写英文专著3章；申请中国发明专利14项，授权10项，在北大、首医等多家医院、研究机构和公司开展临床示范应用；获得中国分析测试协会科学技术三等奖；4人次获得国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金、中国科学院青年创新促进会优秀会员、中国科学院前沿青年拔尖科学家等国家级/省部级人才计划；培养博士生11人，硕士生4人，获得中国科学院优秀博士学位论文、中国科学院院长特别奖、优秀奖等多项奖励；2人次获得中国科学院大学优秀指导教师。