基于多级共振声场的循环肿瘤细胞特异性片上筛选方法研究

Screening of circulating tumor cells (CTCs) is crucial for the detection of the tumor micrometastasis and can be utilized to diagnose the metastasis. Ultrasound, as a carrier of energy, has the mechanical effects on the particles in the acoustic field and can be used to manipulate the cells precisely. However, acoustic manipulation has the difficulty in realizing the selective and specific manipulation. For the particles with the same diameter, such as CTCs and some kind of white blood cells, is difficult to screen the CTCs from the white blood cells using acoustic method. This project proposes a specific screening method that the acoustic sensitivity and acoustic impedance of CTCs is changed by the adhesion of the targeted microbubble in a surface acoustic wave (SAWs) microfluidic device. By designing the multi stage and the resonant acoustic fields, the CTCs can be focused in the microchannel and the targeted microbubble can be adhered to the CTCs tightly. Then, the CTCs can be separated from the blood cells by adjusting the acoustic intensity, frequency and the duration. Simultaneously, the track of CTCs adhered with the targeted microbubble in various acoustic fields also can be investigated. This project not only has the significance in the investigation of dynamic behavior of the complex objects in acoustic field, but also has the potential applications in biomedical area for improving the sensitivity, specificity and safety of screening the CTCs.

筛选循环肿瘤细胞可用于诊断肿瘤远端转移，对早期发现肿瘤的微转移具有重要意义。超声携带能量，对声场中颗粒具有力学效应，可精确操控细胞。然而，声波很难实现选择性操控，对粒径相同的两种细胞，如白细胞和循环肿瘤细胞，难以实现对肿瘤细胞的特异性分离。本项目提出一种基于声表面波微流控芯片的方法，利用靶向微泡与循环肿瘤细胞特异性粘附，改变肿瘤细胞的相对声阻抗，提高肿瘤细胞的声波敏感性，从而实现特异性筛选循环肿瘤细胞。通过设计多级声场与单级共振声场，首先富集循环肿瘤细胞，并使靶向微泡紧密粘附肿瘤细胞表面，其次调控声场强度、频率以及持续时间，最终达到分离循环肿瘤细胞与血液细胞的目的。同时研究粘附微泡的循环肿瘤细胞在不同声场中运动轨迹，理解其动力学行为。本项目不仅在研究复杂物体在声场中的动力学行为方面具有重要科学意义，而且在提高筛选循环肿瘤细胞的敏感性、特异性和安全性方面具有潜在的生物医学应用价值。

筛选循环肿瘤细胞可用于诊断肿瘤远端转移，对早期发现肿瘤的微转移具有重要意义。超声携带能量，对声场中颗粒具有力学效应，可精确操控细胞。然而，声波很难实现选择性操控，对粒径相同的两种细胞，如白细胞和循环肿瘤细胞，难以实现对肿瘤细胞的特异性分离。本项目设计并构建了驻波声场，制备了声表面波微流控芯片，研究了叉指电极形状、宽度及金属膜化率等参数对叉指换能器的影响，并对光刻及镀膜参数等条件进行了优化，获取到最佳性能的叉指换能器。在微泡、血液细胞核循环肿瘤细胞在声场中的动力学行为方面，利用显微高速成像技术，分析微泡、细胞在声场中的运动轨迹以及移动速度，获取了微泡与细胞在声场中的受力方向和大小，并探讨了超声条件对微泡和细胞在声场中动力学行为的影响。在循环肿瘤细胞的富集与筛选方面，通过调节声场强度与流场速度改变循环肿瘤细胞受到的声辐射力与流体产生的拽力，实现在较快流畅中循环肿瘤细胞的高效率富集以及靶向微泡粘附。在循环肿瘤细胞的鉴定与活性方面，免疫组化方法鉴定从血液中筛选出的细胞是否为循环肿瘤细胞，并采用流式细胞术对不同超声刺激下的循环肿瘤细胞的生理功能和活性进行定量定性分析。本项目不仅在研究复杂物体在声场中的动力学行为方面具有重要科学意义，而且在提高筛选循环肿瘤细胞的敏感性、特异性和安全性方面具有潜在的生物医学应用价值。