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一种适用于循环肿瘤细胞捕获的微流控芯片

癌症从发生到临床发现往往需要10年的时间，癌症治疗的根本途径是早期发现或者对已转移瘤能有效治疗。循环肿瘤细胞（circulatingtumor cells, CTC）是指从原位瘤脱落下来进入到循环系统尤其是血液中的肿瘤细胞。作为液态活检核心靶标的CTC，不仅可用于癌症转移前的早期筛查，而且在临床肿瘤的分期、预后、特异性药物筛选、疗效检测、治疗和复发监测等方面都具有极其重要的临床应用价值。然而由于CTC在血液中数量极其稀少（约1-100个/mL），其高效高准确捕获一直是科学前沿难题和临床应用的关键障碍。现有的CTC检测方法仍存在较大的局限，包括检测准确度不足、成本高、效率低、时间长以及检测条件苛刻等。本项目提出的新型微流控芯片设计，将基于流线的降速结构和基于过滤的捕获结构有机整合，实现了CTC特异性的汇聚和保留，同时将部分白细胞和红细胞分流到出口。每经过一个这样的降速结构，CTC就被浓缩一次，白细胞和红细胞被分走一部分。更重要的是，每一个单元液流速度均得到了显著下降（变为原来的1/2）。经过多组这样的降速结构，液流流入捕获结构，此时流速已经非常缓慢，利用CTC和其他血细胞的尺寸和形变差异，通过三棱柱阵列能实现CTC的高效捕获。总体来说，本项目所提出的微流控芯片能在很大流速范围内（5-40 mL/h）都实现高捕获效率（高达94.8%）。此外，芯片上捕获到的CTC的纯度也较高（高达4log白细胞去除率）。临床癌症患者患者双盲测试结果详实准确率达到100%。运用本项目中的微流控芯片，将实验室培养的宫颈癌HeLa细胞掺杂到健康血液中，以模拟癌症患者血液，在很大流速范围内（5-40 mL/h）都能实现高捕获效率（高达94.8%）。同时，为了证明此微流控芯片的普适性，测试了四种实验室细胞系，包括乳腺癌细胞系MCF-7和MDA-MB-231，宫颈癌细胞系HeLa和肺癌细胞系NCl-H226，捕获效率均稳定在91.3%以上。此外，也设置了不同的癌细胞密度以模拟实际的癌症患者血液，捕获效率近似为96.2%。随后，将本项目应用于临床，对11例癌症患者血液中的CTC进行检测，检出率高达100%，CTC个数从6-117个/mL不等，平均值31个/mL，中位数25个/mL。这些研究表明本项目中的微流控芯片能实现癌症患者的早期检测。本项目实现对癌症患者血液中的循环肿瘤细胞的单细胞灵敏度和高特异性的的捕获，由于其成本低，方便快速，效率高，对操作条件不敏感等，因而非常适合大规模应用于临床，实现癌症的早期诊断、实时动态监测和阻断转移等效果。

北京大学 2021-04-11