响应性微流控芯片传感器构建及其用于循环肿瘤细胞的捕获和定点释放

Circulating tumor cells (CTCs), existing in peripheral blood and lymphatic circulatory system, play an important role in cancer metastasis. High efficient isolation and purification of CTCs from whole blood without disruption of its viability and function are critical for in vitro CTCs culture, which can improve CTCs-related cancer research. Currently, nanomaterials and microfluidic chips have demonstrated their advantages in CTCs enumeration, but several problems are still remaining, including low capture efficiency, unsatisfactory purity and difficulty in CTCs release from capture substrate. In this project, we will develop responsive microfluidic chip biosensor for capturing CTCs and releasing them on demand. Firstly, new type of microfluidic chip integrated with three dimensional (3D) microporous structure will be designed and fabricated, promoting the contact frequency between CTCs and chip substrate. Nanomaterials will be further assembled onto the 3D microporous microfluidic chip, benefiting 3D topographic interactions between CTCs and chip substrate, which can effectively improve capture efficiency of CTCs. Secondly, photo-triggered release system will be integrated with microfluidic chip to construct photo responsive microfluidic chip for CTCs capture. Finally, CTCs will be detached from chip substrate by photo-triggered release on demand, obtaining CTCs with high purity. This proposal is aimed at developing smart cell sensor by integration of nanotechnology, microfluidic chip and photo-triggered release system for obtaining CTCs with high purity and good viability, so as to provide robust supportive techniques and platforms for CTCs-related biomedical researches.

循环肿瘤细胞（CTCs），存在于血液或淋巴循环系统中，是肿瘤发生远处转移的前提。高效、无损地分离纯化CTCs，实现其体外培养，对推动肿瘤研究具有重要意义。目前，纳米材料和微流控芯片在CTCs分析中显示出很好的前景，但仍存在捕获效率尚待提高、分离纯度低、与基质无法有效解离等问题。本项目拟构建响应性微流控芯片传感器用于CTCs捕获和定点释放。首先，设计新型的具有三维多孔结构的微流控芯片，提高CTCs与芯片基质的接触频率，进一步复合纳米材料，促进CTCs与芯片基质的拓扑作用，充分提高CTCs捕获效率；其次，将光刺激释放体系与微流控芯片结合，构建光响应性微流控芯片用于CTCs捕获；通过定点、光控刺激，使CTCs与芯片基质解离，获得高纯度CTCs。本项目旨在发展集纳米技术、微流控芯片及刺激释放为一体的智能化细胞传感器，从血液中获取纯度高、活力好的CTCs，为CTCs相关生物医学研究提供有力支撑。

癌症已是造成我国居民死亡的第一病因，是威胁公民健康及生命的重大疾病之一。肿瘤转移是癌症难以治愈、致死率高的主因，90%癌症患者死亡与肿瘤转移相关。肿瘤细胞从原发部位脱落进入血液循环系统，最终殖民于远端器官形成转移灶。这些经由血液传播的肿瘤细胞被称作循环肿瘤细胞(CTC)，与肿瘤转移密切相关。分离和分析CTC对于肿瘤患者诊断、术后复发与转移监测、抗肿瘤药物敏感性评估以及选择个体化的治疗策略具有非常重要的意义。基于以上研究背景，我们建立了响应性微流控微流控传感平台用于CTC特异性捕获，发展了细胞友好的CTC可逆释放体系，并将LC-ESI-MS/MS和基因测序技术用于释放后CTC的DNA分析。首先，我们构建了具有分级结构的可分解ZnO纳米基底和细胞印迹水凝胶用于CTC的捕获及化学响应性、光热响应性释放。随后，我们将微纳分离基质与微流控芯片整合，制备以分级结构微纳基质为基底的微流控芯片，结合DNA程序化设计实现CTC的捕获和特异性释放。最后，我们采用二次牺牲模板法制备了新型的三维多孔微流控芯片，成功实现癌症患者血液中CTC及CTC簇的特异性捕获；在其表面修饰温敏的明胶后，可以实现CTC及CTC簇特异性捕获和温敏释放。释放后的CTC可经LC-ESI-MS/MS进行甲基化分析，也适用于后续基因测序分析，可望通过对CTC进行分子分析指导肿瘤个性化治疗。值得一提的是，在三维多孔微流芯片表面原位生长一层ZnO纳米线后，还可用于癌症患者血清中外泌体的高效分离和特异性释放。项目执行期间，我们分别在Analytical Chemistry, ACS Applied Materials & Interfaces，Biosensors and Bioelectronics等期刊发表研究论文7篇。鉴于在新型微流控芯片研制及其用于CTC检测中的开创性工作，我们受邀撰写综述论文1篇，发表在TRAC-Trends in Analytical Chemistry上。此外，我们获批国家发明专利1项，申请1项。特别的是，已授予国家发明专利的新型三维多孔微流控传感平台，其对癌症患者血液中CTC，CTC簇及外泌体展现出优异的分离能力，有望在临床上用于基于CTC及外泌体的液体活检，辅助癌症早期诊断、疗效评价及预后监测等。

内容获取失败，请点击重试