【IOP专栏】基于尺寸放大效应的微流控声泳芯片高纯度分选循环肿瘤细胞

萌萌哒 6年前 (2018-07-07) 3661浏览

【引言】

循环肿瘤细胞（CTCs）通常是指来源于原发肿瘤组织，经肿瘤组织的边缘脱落而侵入人体外周血的肿瘤细胞，作为“液体活检”的主要生物标记物，CTCs的计数与分析已成为癌症诊断研究的热点。由于从外周血中捕获到CTCs在技术上是非常具有挑战性的，例如如何提高捕获和释放循环肿瘤细胞的效率一直面临着巨大的挑战。基于细胞尺寸与机械性能的声学流体方法为CTC分选与纯化提供了当下癌症治疗与临床实验的新思路，但目前CTCs纯度始终是面临的主要难题。

【成果简介】

近日，武汉大学国世上教授带领的团队，联合美国印第安纳大学-布鲁明顿分校郭峰（Feng Guo）教授课题组以及武汉大学中南医院汪付兵教授（共同通讯）撰写题为Size-amplified acoustofluidic separation of circulating tumor cells with removable microbeads的研究文章，发表在IOP顶级期刊Nano Futures上。该文全面介绍了如何运用尺寸放大效应的微流控声泳芯片来捕获和释放循环肿瘤细胞，成功的利用集成明胶硅球的芯片实现了CTCs与正常血细胞之间的高效分离，从而有效剔除正常的血细胞（红细胞、白细胞等），分选效率为77%；然后通过明胶酶对明胶进行降解，将CTCs从硅球表面分离出来，得到纯度高达96%的CTCs样本，并具有良好的生物活性。

【图文导读】

图1.基于尺寸放大效应的微流控声泳芯片高纯度分选循环肿瘤细胞示意图

利用可移除的尺寸放大微球辅助声流控芯片的方法分离和纯化CTCs。

图2. SiO2 @gel微球的表征

  • 裸露的SiO2微球；
  • SiO2@gel微球放大器的表面具有约100nm的明胶涂层；
  • 经过酶处理后的SiO2@gel微球明胶涂层几乎都被降解；
  • 通过测量zeta电位变化来确认明胶涂层形成和溶解；
  • 裸露的SiO2微球，SiO2@gel微球与降解明胶后SiO2微球的FTIR光谱结果。

图3. 微球捕获肿瘤细胞

  • 未修饰抗体的SiO2@gel微球与HCT-116肿瘤细胞没有捕获；
  • 修饰抗体的SiO2@gel微球对EpCAM低表达的HeLa细胞没有捕获；
  • 修饰抗体的SiO2@gel微球对EpCAM高表达的HCT116细胞具有很强的捕获能力；
  • 结合修饰抗体的SiO2@gel微球与HCT116细胞和白细胞的混合液的捕获；
  • 微球浓度对细胞捕获效率的影响；
  • 使用最佳的微球浓度研究不同细胞浓度下的捕获效率；
  • 使用两种细胞系（HCT116、MCF7）在人造血样中开展了CTCs的模拟捕获实验。

图4. 利用微流控声泳技术分离血液中的肿瘤细胞-微球复合物。

  • 在样品和缓冲液流之间的流体动力（即分别为FHS和FHA）的平衡下粒子的运动；
  • 声表面波将粘有肿瘤细胞的SiO2@gel微球驱进缓冲溶液中；
  • 声表面波产生的声辐射力（FA）推动粘有肿瘤细胞的SiO2@gel微球示意图；
  • 输入功率对细胞分离的效率和纯度的影响。

图5. 肿瘤细胞的释放与活性影响

  • 利用基质金属蛋白酶（MMP）来温和降解SiO2@gel微球的明胶涂层并释放癌细胞；
  • 明胶涂层降解时间对粘有肿瘤细胞的SiO2@gel微球效率的影响；
  • 通过收集释放的肿瘤细胞并重新培养来验证声学分离的生物相容性；
  • 经历了整个纯化过程之后的细胞仍然具有增殖能力。

图6. 病人外周血中的CTCs鉴定与计数

该方法成功对结肠直肠癌（n = 8）、乳腺癌（n = 8）患者以及健康人（n=4）的外周

血样品实施了CTCs的检测实验。

【总结】

通过声流控芯片来对CTCs进行纯化并去除外周血中其他的血细胞是一种非常具有前景的方法。研究团队利用微流控声泳芯片利用尺寸放大效应实现了CTCs与正常血细胞之间的高效分离，作为尺寸放大器的微球复合物将扩大CTCs和正常血细胞之间物理性质的差异，通过基质金属蛋白酶降解明胶涂层，可以进一步纯化CTCs，从而为流式分析提供高质量的样品，证明了该方法有作为临床诊断平台应用的潜力。

文献链接：Size-amplified acoustofluidic separation of circulating tumor cells with removable microbeads, (Nano Futures, 2018, DOI:https://doi.org/10.1088/2399-1984/aabf50)

材料人与IOP出版社联合推出【IOP专栏】，报道IOP旗下期刊精彩研究进展。本文系【IOP专栏】第7篇。

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