免标记循环肿瘤细胞“3D指纹”识别与光控分选方法研究

Aim to the urgent need for non-interventional detections of circulating tumor cells (CTCs) in applications of precise diagnosis and personalized medicine, this project proposes a novel method which takes advantage of spatial scattering properties（named as “3D fingerprint”）of label-free cells to achieve the accurate identification and isolation for CTCs. As planned, several goals will be reached on the foundation of differentially complementary light scattering theory modeling for laboratory individual CTC study as well as the clinical statistics. The scattering physical mechanisms of intricate biological properties will be elucidated in order to trace the developing status of malignant diseases. Moreover, an intelligent, traceable, and inversive strategy will be established, which can respond to the pathological changes of malignant tumors. And we plan to study the photodynamic theory for CTC isolation. Based on the good performance of the microfluidics and integrated optics, a set of optical experimental platform will be constructed, in which a feedback mechanism connects the functions of the recognition, isolation and inspection. In conclusion, this novel method proposed in this project is prospective to explore the scattering physical manifestations and optical rules for label free CTCs, and then well serves for personalized medical precision detections without any contamination and interference.

瞄准恶性疾病个体化精准医疗对自然状态下循环肿瘤细胞准确识别与分选的需求，本项目提出通过携带细胞身份信息的“3D指纹”特征，即空间本征散射特征，实现一种在非干预状态下免标记循环肿瘤细胞精准识别与准确分选的检测方法。针对临床统计研究与实验室个体研究的特点，提出差异互补式细胞空间本征散射理论建模方法；探寻反映恶性肿瘤发展状态的细胞复杂生物组分本征散射物理机理；建立可溯源突显恶性肿瘤生物特征变化的细胞散射特异性反演策略；构建蕴含细胞身份特征的散射同源光引导反馈式分选动力学理论模型；实现微流控与集成光学优势支撑下的免标记循环肿瘤细胞“识别-分选-复检”信息互馈的一体化非干预式光学分选实验系统。项目旨在通过自然状态下循环肿瘤细胞空间本征散射的物理表象，揭示恶性肿瘤发展变化的特异性光学规律，构建一种免标记、非干预的循环肿瘤细胞精准检测新方法。

循环肿瘤细胞无标记识别和分选，对于医学研究和临床诊断具有重要意义。通过无标记的方式对循环肿瘤细胞进行检测，可以在不影响其生理状态的情况下，对病症进行早期筛查与发展状态评估，从而能够实现对重大疾病的预警和有效治疗；而对循环肿瘤细胞的分选，可以实现对目标样本进行专一化研究，从而实现精准的病理分析，提供个性化的临床诊疗方案。. 目前循环肿瘤细胞识别尚需对样本进行外源性标记，通过对标记物激发出的荧光等信号的快速检测。该方法虽然具有高效准确的优势，然而标记方法会干扰细胞正常生理行为，在一定程度上限制了其应用范围。光学散射特征，由于其与生物组织匹配的独一性，被称为“指纹信息”。本研究提出了针对复杂精细结构的空间本征散射反演规律识别策略，通过建立携带不同精细结构的循环肿瘤细胞三维模型，系统研究了循环肿瘤细胞体积、形状、核膜结构及亚细胞器分布等形态学特征对光学散射空间分布的影响，从而得到了响应各类复杂精细结构的空间本征散射反演规律，并以此为理论依据，提出了基于准贝塞尔光束的光波导调制结构，以解决光流控散射检测系统入射光束发散角大的难题，并开发了基于光流控芯片的生物颗粒散射特征检测系统。通过对人体外周血循环肿瘤细胞和培养海拉细胞开展实验验证，相比于传统高斯光束微流控检测系统，本研究方法识别准确率分别提高了47.87%和46.79%，检测准确性可达93.41%。针对循环肿瘤细胞分选需求，本研究在所开发的光流控芯片上，集成了光镊思想的无标记细胞精准分选模块，实验结果表明：分选准确度可达73.9%，同时假阴性率仅为4.1%，假阳性率仅为5.1%。.本研究针对无标记循环肿瘤细胞准确识别和快速分选的关键科学问题，提出了基于光流控芯片的本征光散射识别与光镊分选融合的方法。通过光学、医学、信息学以及微纳制造技术等多学科交叉，实现无标记的精准识别与分选，为重大疾病的个性化精准预测、诊疗及评估提供了一种新方法。