【IOP專欄】基于尺寸放大效應的微流控聲泳芯片高純度分選循環腫瘤細胞

萌萌噠 5年前 (2018-07-07) 2933瀏覽

【引言】

循環腫瘤細胞（CTCs）通常是指來源于原發腫瘤組織，經腫瘤組織的邊緣脫落而侵入人體外周血的腫瘤細胞，作為“液體活檢”的主要生物標記物，CTCs的計數與分析已成為癌癥診斷研究的熱點。由于從外周血中捕獲到CTCs在技術上是非常具有挑戰性的，例如如何提高捕獲和釋放循環腫瘤細胞的效率一直面臨著巨大的挑戰。基于細胞尺寸與機械性能的聲學流體方法為CTC分選與純化提供了當下癌癥治療與臨床實驗的新思路，但目前CTCs純度始終是面臨的主要難題。

【成果簡介】

近日，武漢大學國世上教授帶領的團隊，聯合美國印第安納大學-布魯明頓分校郭峰（Feng Guo）教授課題組以及武漢大學中南醫院汪付兵教授（共同通訊）撰寫題為Size-amplified acoustofluidic separation of circulating tumor cells with removable microbeads的研究文章，發表在IOP頂級期刊Nano Futures上。該文全面介紹了如何運用尺寸放大效應的微流控聲泳芯片來捕獲和釋放循環腫瘤細胞，成功的利用集成明膠硅球的芯片實現了CTCs與正常血細胞之間的高效分離，從而有效剔除正常的血細胞（紅細胞、白細胞等），分選效率為77%；然后通過明膠酶對明膠進行降解，將CTCs從硅球表面分離出來，得到純度高達96%的CTCs樣本，并具有良好的生物活性。

【圖文導讀】

圖1.基于尺寸放大效應的微流控聲泳芯片高純度分選循環腫瘤細胞示意圖

利用可移除的尺寸放大微球輔助聲流控芯片的方法分離和純化CTCs。

圖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約100nm的明膠涂層；
  • 經過酶處理后的SiO2@gel微球明膠涂層幾乎都被降解；
  • 通過測量zeta電位變化來確認明膠涂層形成和溶解；
  • 裸露的SiO2微球，SiO2@gel微球與降解明膠后SiO2微球的FTIR光譜結果。

圖3. 微球捕獲腫瘤細胞

  • 未修飾抗體的SiO2@gel微球與HCT-116腫瘤細胞沒有捕獲；
  • 修飾抗體的SiO2@gel微球對EpCAM低表達的HeLa細胞沒有捕獲；
  • 修飾抗體的SiO2@gel微球對EpCAM高表達的HCT116細胞具有很強的捕獲能力；
  • 結合修飾抗體的SiO2@gel微球與HCT116細胞和白細胞的混合液的捕獲；
  • 微球濃度對細胞捕獲效率的影響；
  • 使用最佳的微球濃度研究不同細胞濃度下的捕獲效率；
  • 使用兩種細胞系（HCT116、MCF7）在人造血樣中開展了CTCs的模擬捕獲實驗。

圖4. 利用微流控聲泳技術分離血液中的腫瘤細胞-微球復合物。

  • 在樣品和緩沖液流之間的流體動力（即分別為FHS和FHA）的平衡下粒子的運動；
  • 聲表面波將粘有腫瘤細胞的SiO2@gel微球驅進緩沖溶液中；
  • 聲表面波產生的聲輻射力（FA）推動粘有腫瘤細胞的SiO2@gel微球示意圖；
  • 輸入功率對細胞分離的效率和純度的影響。

圖5. 腫瘤細胞的釋放與活性影響

  • 利用基質金屬蛋白酶（MMP）來溫和降解SiO2@gel微球的明膠涂層并釋放癌細胞；
  • 明膠涂層降解時間對粘有腫瘤細胞的SiO2@gel微球效率的影響；
  • 通過收集釋放的腫瘤細胞并重新培養來驗證聲學分離的生物相容性；
  • 經歷了整個純化過程之后的細胞仍然具有增殖能力。

圖6. 病人外周血中的CTCs鑒定與計數

該方法成功對結腸直腸癌（n = 8）、乳腺癌（n = 8）患者以及健康人（n=4）的外周

血樣品實施了CTCs的檢測實驗。

【總結】

通過聲流控芯片來對CTCs進行純化并去除外周血中其他的血細胞是一種非常具有前景的方法。研究團隊利用微流控聲泳芯片利用尺寸放大效應實現了CTCs與正常血細胞之間的高效分離，作為尺寸放大器的微球復合物將擴大CTCs和正常血細胞之間物理性質的差異，通過基質金屬蛋白酶降解明膠涂層，可以進一步純化CTCs，從而為流式分析提供高質量的樣品，證明了該方法有作為臨床診斷平臺應用的潛力。

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

材料人與IOP出版社聯合推出【IOP專欄】，報道IOP旗下期刊精彩研究進展。本文系【IOP專欄】第7篇。

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