乳腺癌循环肿瘤细胞智能检测系统

目的：基于国家重点研发计划项目“乳腺癌循环肿瘤细胞成像和检测数字诊疗新技术研究” ，从目前临床循环肿瘤细胞在实践诊断中迫切需要解决的问题入手，研发乳腺癌循环肿瘤细胞智能检测系统，为乳腺癌检测提供崭新的检测平台体系。方法：本系统创新性地将微流控技术与表面增强拉曼检测以及人工智能算法联用，通过 3D 打印微流控芯片分离出血液样本中的循环肿瘤细胞，利用表面增强拉曼检测技术采集分离出的细胞信号，结合人工智能算法比对分析得出细胞的种类以及分子分型。结果：本项目在综合考虑技术水平与市场需求的前提下，实现了用 5mL 血液在 1 小时内获得样本中循环肿瘤细胞的检测结果，同时保障了结果的准确性。结论：该项目满足了市场对乳腺癌的非侵入性快速检测方法的需求，提高了乳腺癌检测的效率和准确率，将检测成本降低了 70% 以上，有利于乳腺癌检测的推广及普及，对促进人类健康产业的发展有着重大意义。

本系统创新性地将 3D 打印微流控芯片与拉曼检测联用，实现了循环肿瘤细胞的检测与分类一体化，极大地缩短了检测时间，提高了检测效率与准确率，目前处于样机阶段。

我们还考虑到检测成本和对人体的伤害程度，将一次性消耗成本控制在百元级别，每次仅需 5mL 血液，实现了廉价安全的肿瘤检测，让人们用得起，用得放心。

从市场上来看，循环肿瘤细胞检测正成为一个量大面广的庞大市场，而因为基于循环肿瘤细胞的肿瘤检测具有廉价、高效、灵敏度高、对临床治疗指导性强等特性，这种具有明显优势的检测方式已成为大势所趋。尽管该检测目前尚未被应用于临床工作中，但相信该检测系统可以为临床诊断和科研工作提供可靠的检测方法。相信我们的技术能够为广大的患者带来健康和幸福。对技术成果，非涉密技术方案进行简要介绍。

主要技术指标

（1）拉曼增强材料，拉曼增强因子达到 1.0×105；

（2）3D 打印类河湾截面微流控芯片，肿瘤细胞惯性聚焦效果与粒子浓度之间存在线性关系，线性度达 98.38 %；

（3）肿瘤细胞的回收率达到 90.0 %，肿瘤细胞的富集比达到 1.90 倍；

（4）检测范围达到 0-1000 个，检测下限达到 1 个细胞，且多次试验之间偏差较小，不存在系统性变化；

（5）微流控动态流体 SERS 检测平台，具有优异的稳定性（RSD 为 1.90%）和重复性（RSD 为 4.98%），可以作为标准化的细胞 SERS 检测方法；

（6）开发了基于局部对称重加权惩罚最小二乘的拉曼基线校正预处理方法、基于KNN 算法的拉曼光谱分析方法以及基于预处理组合的拉曼光谱分析方法等多种拉曼光谱数据分析方法；

（7）建立了肿瘤细胞拉曼光谱标准数据库，并开发了乳腺癌循环肿瘤细胞检测软件，实现细胞拉曼光谱数据的自动化处理分析；

（8）构建了乳腺癌循环肿瘤细胞检测分析系统，并完成了临床样品的初步验证及后续方案的设计。

乳腺癌是来源于乳腺上皮组织的恶性肿瘤，也是我国女性发病率最高的恶性肿瘤。近年来随着乳腺癌诊疗手段的改进，其 5 年生存率明显升高。带病生存的晚期乳腺癌患者占比越来越高。乳腺癌广泛侵袭和转移后未获得及时有效的诊治成为患者死亡的主要原因，因此通过多手段监测是很有必要的。

循环肿瘤细胞是指实体肿瘤原发病灶或者转移病灶中脱落的进入血液循环系统的恶性肿瘤细胞。2007 年，美国临床肿瘤学会将循环肿瘤细胞纳入肿瘤生物标志物。2018 年全球启用的美国癌症联合会（AJCC）第八版癌症分期系统，首次将乳腺癌外周血中的循环肿瘤细胞列为预后提示因子。乳腺癌分子分型，可帮助患者选择内分泌治疗和靶向人表皮生长因子受体 -2（HER2）治疗。但是传统的骨髓穿刺等方法存在取材对人体伤害大，及诊断主观性强等缺点。

我们开发的乳腺癌循环肿瘤细胞智能检测系统通过微流控芯片分离血液中的循环肿瘤细胞，并将微流控和表面增强拉曼检测连用，采集分离后细胞拉曼光谱数据，利用人工智能算法获得细胞种类以及乳腺癌分子分型。实现了操作更简便、成本更低廉的检测，可以及时、有效地发现肿瘤复发以及准确评估疾病进展，有助于进一步延长患者生存期。

本项目所开发的乳腺癌智能诊断技术引起了社会的广泛关注和支持。中央电视台CCTV-2 财经频道的《创业英雄汇》节目，陕西网络广播电视台第一新闻午间播报节目、搜狐网站、科学网、陕西头条网站报、西安新闻网、西安晚报、第一热搜节目、西安电子科技大学新闻网和微流控公众号等媒体报道了我们的技术。

本项目依托于国家重点研发计划数字诊疗装备研发专项项目——“乳腺癌循环肿瘤细胞成像和检测数字诊疗新技术研究”（2016 年立项，总经费 200 万元）研究成果，具有极大的发展潜力。乳腺癌智能诊断医疗器械正在申请国家食品药品监督管理总局的二类医疗器械产品注册证。将进一步开展临床实验及设备改良，已与西京医院建立合作关系，已通过伦理审查，正在对发生肿瘤转移或局部中晚期的乳腺癌患者开展临床实验，针对新辅助化疗进行疗效评估。该项目具有很好的市场、产业和商业价值，成果转化过程中已经得到 2019 年西安市留学回国人员创新创业扶持项目 50 万元资助。2020 年，入选西安市西咸新区沣东新城国家级领军人才项目，进行孵化落地。2019 年，入选《中国医疗器械科技创新发展报告》，得到行业认可。低成本和高准确率使得这项技术走向应用，实现癌症的精确诊断，从而造福人类。