循环肿瘤细胞高效分型捕获与高通量单细胞转录组测序分析

Detection of circulating tumor cell(CTC) is of great clinical significance in cancer diagnosis, treatment assessment, prognosis, and drug development. Most of current methods are based on counting the number of CTCs captured by epithelial marker EpCAM antibody, which unfortunately miss other important types of CTCs such as EMT CTCs, are incapable of releasing cells with high viability, and fail to provide valuable molecular information of CTCs. In this project, aptamers against different biomarkers for different types of CTCs will be generated. A microfluidic chip with geometric optimized pillar array for sized based separation and surface functionalization of a panel of aptamers for synergetic affinity capturing of CTCs will be designed and fabricated for highly sensitive and selective CTC enrichment from whole blood. Methods for releasing CTCs with high efficiency and viability will be developed. More importantly, a high throughput single cell transcriptome sequencing method integrating highly efficient single cell compartmentalization strategy, DNA barcoding technology, as well as high throughput sequencing approach will be developed, enabling one to obtain thousands of single cell transcriptomic information only with one single sequencing run cost. The affinity probes, microfluidic devices, CTC enrichment and sequencing methods developed in this project will provide enabling tools for cancer diagnosis, therapy, prognosis and basic research.

循环肿瘤细胞（CTC）的检测在肿瘤分期诊断、动态监测、疗效评估、药物开发和预后监测等方面具有重大意义。目前依赖于单一上皮源性抗体的CTC免疫富集及计数方法无法对不同分型的CTC进行全面捕获、难于无损释放CTC、无法提供深度的分子病理信息。本项目拟发展高效核酸适体筛选方法，获得多条针对不同CTC分型标志物的高亲和力、高特异性核酸适体序列，获得不同种类CTC识别分子； 构筑基于细胞物理与生物特性协同捕获微流控微柱阵列芯片实现高效CTC分型捕获； 发展CTC可控无损释放性方法，结合微流体器件的精准操控优势，实现CTC高通量单细胞平行分析；开发单细胞DNA编码新技术，结合高通量测序技术，发展高通量单细胞测序新方法，实现只需单次测序即可完成大量CTC的单细胞降低CTC单细胞分析成本，为癌症的精准诊断、用药指导、疗效评估提供科学依据。

循环肿瘤细胞（CTC）的检测与分析面向我国重大疾病预警与诊断新方法与新技术的战略需求，在癌症分期诊断、动态监测、疗效评估、药物开发和预后监测等方面具有重大意义。本项目以微流控技术、仿生识别方法和单细胞测序为突破口，在CTC识别分子筛选、CTC分型捕获、单细胞转录组测序平台开发等方面开展了系统深入的创新性研究。本项目发展了一系列高效核酸适体筛选新方法，筛选获得了一系列针对不同类型循环肿瘤细胞标志物的核酸适体，实现了不同类型循环肿瘤细胞特异性识别；建立了循环肿瘤细胞无损释放方法，发展了基于核酸适体协同识别及微流控技术的高效分型捕获芯片；建立了基于微流控芯片的自动化及高通量单细胞转录组测序新平台，实现了痕量单细胞水平CTC基因表达信息与异质性的平行分析；突破了CTC分型捕获与单细胞分析的技术瓶颈，开发了单细胞转录组测序分群、示踪、溯源的生物信息学新算法，实现了大量临床病人样本外周血CTC的分型捕获与单细胞分析，揭示了CTC单细胞转录组信息与肿瘤发展动态、治疗效果、预后相关性，为探究肿瘤发病病因、发展进程及耐药机制提供了精准测量工具。项目执行期内在国际化学期刊上发表SCI论文102篇，包括Nat. Commun. 5篇、Sci. Adv. 2篇、JACS 5篇、Angew. Chem. Int. Ed. 11篇、PNAS 3篇。申请国家专利45项，其中授权专利21项。培养博士研究生20名，硕士研究生26名，出站博士后3名，培养教育部青年长江学者1名，基金委优秀青年基金获得者1名。