多功能纸芯片分离捕获外周血中肿瘤细胞及原位分析

恶性肿瘤是危害人类健康的重大疾病，其中肿瘤远处转移是肿瘤患者死亡的主要原因。所谓的循环肿瘤细胞（CTCs）是由原发或转移病灶脱落进入外周血的细胞，它们的存在不仅是恶性肿瘤发生远处转移的关键步骤之一，同时也为肿瘤转移的鉴定提供了关键线索。CTCs的研究越来越受到重视。

由于微转移隐匿在原发灶以外的组织，传统的诊断学方法难以检测，因此成为多种恶性肿瘤术后复发的潜在因素。从外周血中检测CTCs是一种非侵袭性的“液体活检”方式。通过监测患者血液中CTCs数量的变化，这种方式对于肿瘤的早期临床诊断、复发转移的监测、预后评估以及提高肿瘤患者生存率的抗癌治疗效果都具有重要的临床意义和价值，从而为肿瘤的检测和控制带来了革命性的转变。2013年，《Nature》杂志将CTCs检测列为最具创新性和转化潜力的肿瘤诊断新方法。此外，CTCs检测也被公认为在肿瘤治疗和防治肿瘤细胞入血转移的有效检测指标之一。

然而，由于外周血中CTCs的浓度非常低，其分析检测需要解决特异捕获富集和超高灵敏响应的分析问题。首先，仅仅使用单一的分离手段，如亲和结合的CTCs分离富集技术、细胞尺寸、密度以及变形性的CTCs分离富集技术、介电泳的免标记CTCs分离富集技术等，难以达到理想效果；其次，CTCs富集后，需要对CTCs的种类和数量进行分析，需要发展原位扩增、多重放大的超灵敏分析检测方法；再者，微流控芯片实验室技术具有集分离、富集、检测于一体的优势，但传统微流控芯片存在制作复杂、成本昂贵、通道易于堵塞等问题，难以在临床诊断中广泛应用。

本项目拟在微流控芯片原理的基础上，基于纸基材料构建用于细胞的分离富集原位分析微流控纸芯片实验室。作为新一代微流控芯片技术，这种技术积极发挥其高通量、多样化检测能力与开放式多功能集成能力。在微流控纸芯片上，利用纸的多孔性和可塑性设计制作三维中空通道进行阴性分选和检测区域实现阳性富集，实现CTCs的多种分离富集手段的有效结合。纸芯片中空通道相对于非中空通道液体流动速度快、试剂用量少、减少溶剂挥发，更适于CTCs的分离富集检测及分析。此外，微流控纸芯片可采用功能纳米材料和分子生物学技术实现信号放大，将具有光、电特性的生物靶向纳米材料与生物技术和微流控技术结合，利用电化学和光致电化学方法，建立CTCs分离富集及检测于一体的微流控纸芯片实验室平台，从而提供一种操作简单、成本低廉、灵敏度高的CTCs分析检测技术。

主要研究采用链杂化反应的生物信号放大，细胞表面糖蛋白及细胞内气体分子H2O2的检测，以及如何提高传感器的灵敏度和选择性。具体研究包括以下方面：

1. 利用中空通道纸电极对硫化氢含量进行即时的可视化检测；
2. 细胞内气体分子H2S和H2O2的检测；
3. 链杂化反应光致电化学信号放大；
4. 荧光/比色双模式测定细胞表面糖蛋白；
5. 结合纸电子元件，建立功能化、集成化、自动化微流控纸芯片集成平台。

相关成果发表了SCI收录论文10篇，授权发明专利2项，撰写发明专利6项。

开发的纸芯片器件对外周血中循环肿瘤细胞的分离捕获可以进行低含量高灵敏的检测，适用于各地卫生部门、医疗机构用于低成本检测患者健康状况，提高检测工作效率、减轻患者经济负担。同时，这种芯片的开发也适用于居家式个体健康状况的监测，因此有着重要的实际应用价值，广阔的产业化前景。

设计制备出纳米材料功能化三维中空通道微流控纸芯片，实现流动方式可控，有效分离捕获循环肿瘤细胞，为发展快速、特异、价格低廉的微流控分离方法提供新思路、新方法；合成出具有靶向识别的信号放大纳米探针，为研究生物分子-纳米材料界面的化学反应提供实验和理论依据，实现对细胞表面活性物质的高灵敏分析检测，建立信号放大的方法和策略。开发出可寻址阵列纸芯片，制备出微流控纸芯片平台，实现循环肿瘤细胞的分离富集检测，实现快速检测全血样本中的循环肿瘤细胞种类及数量。

恶性肿瘤是危害人类健康的重大疾病,肿瘤远处转移是肿瘤患者死亡的主要原因。由原发或转移病灶脱落进入外周血的细胞称之为循环肿瘤细胞（CTCs）,CTCs的存在不仅是恶性肿瘤发生远处转移的关键步骤之一,也可为肿瘤转移的鉴定提供关键线索。CTCs的研究已受到越来越多的关注。由于微转移隐匿在原发灶以外组织,传统的诊断学方法难以检测,因而成为多种恶性肿瘤术后复发的潜在因素。而从外周血中检测CTCs是一种非侵袭性“液体活检”方式,通过监测患者血液中CTCs 数量的变化,对肿瘤早期临床诊断、肿瘤复发转移的监测、预后评估和提高肿瘤患者生存率的抗癌治疗效果都具有重要的临床意义和临床价值,从而为肿瘤的检测和控制带来革命性的转变。2013年,《Nature》杂志将CTCs检测列为最具创新性和转化潜力的肿瘤诊断新方法。此外,CTCs检测也被公认为是在肿瘤治疗和防治肿瘤细胞入血转移的有效检测指标之一。由于外周血中CTCs的浓度非常低,其分析检测需要解决特异捕获富集和超高灵敏响应的分析问题。首先,仅仅使用单一的分离手段,如亲和结合的CTCs分离富集技术、细胞尺寸、密度以及变形性的CTCs分离富集技术、介电泳的免标记CTCs分离富集技术等,难以达到理想效果;其次,CTCs富集后,需要对CTCs的种类和数量进行分析,需要发展原位扩增、多重放大的超灵敏分析检测方法;再者,微流控芯片实验室技术具有集分离、富集、检测于一体的优势,但传统微流控芯片存在制作复杂、成本昂贵、通道易于堵塞等问题,难以在临床诊断中广泛应用。本项目拟在微流控芯片原理的基础上,基于纸基材料构建用于细胞的分离富集原位分析微流控纸芯片实验室。作为新一代微流控芯片技术,积极发挥其高通量、多样化检测能力与开放式多功能集成能力。在微流控纸芯片上利用纸的多孔性和可塑性设计制作三维中空通道进行阴性分选和检测区域实现阳性富集,实现CTCs的多种分离富集手段的有效结合。纸芯片中空通道相对于非中空通道液体流动速度快、试剂用量少、减少溶剂挥发,更适于CTCs的分离富集检测及分析。此外,微流控纸芯片可采用功能纳米材料和分子生物学技术实现信号放大,将具有光、电特性的生物靶向纳米材料与生物技术和微流控技术结合,利用电化学和光致电化学方法,建立CTCs分离富集及检测于一体的微流控纸芯片实验室平台,从而提供一种操作简单、成本低廉、灵敏度高的CTCs分析检测技术。主要研究了采用链杂化反应的生物信号放大,细胞表面糖蛋白及细胞内气体分子H2O2 的检测,以及如何提高传感器的灵敏度和选择性。（1）利用中空通道纸电极对硫化氢含量进行即时的可视化的检测;（2）细胞内气体分子H2S和H2O2的检测;（3）链杂化反应光致电化学信号放大;（4）荧光/比色双模式测定细胞表面糖蛋白;（5）结合纸电子元件,建立功能化、集成化、自动化微流控纸芯片集成平台。相关成果发表了 SCI 收录论文10篇,授权发明专利2项,撰写发明专利6项。开发的纸芯片器件对外周血中循环肿瘤细胞的分离捕获,可以进行低含量高灵敏的检测。适用于各地卫生部门、医疗机构用于低成本检测患者健康状况,提高检测工作效率、减轻患者经济负担。同时,这种芯片的开发也适用于居家式个体健康状况的监测,因此有着重要的实际应用价值,广阔的产业化前景。设计制备出纳米材料功能化三维中空通道微流控纸芯片,实现流动方式可控,有效分离捕获循环肿瘤细胞,为发展快速、特异、价格低廉的微流控分离方法提供新思路、新方法;合成出具有靶向识别的信号放大纳米探针,为研究生物分子-纳米材料界面的化学反应提供实验和理论依据,实现对细胞表面活性物质的高灵敏分析检测,建立信号放大的方法和策略。开发出可寻址阵列纸芯片,制备出微流控纸芯片平台,实现循环肿瘤细胞的分离富集检测,实现快速检测全血样本中的循环肿瘤细胞种类及数量。