循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）被認(rèn)為是最有前景的液體活檢生物標(biāo)志物之一，可用于在治療監(jiān)測和癌癥管理過程中獲得腫瘤演變的實(shí)時(shí)信息。然而，雖然循環(huán)腫瘤細(xì)胞具有巨大的應(yīng)用潛力，但是其目前在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用主要局限于預(yù)后分層和監(jiān)測。從外周血細(xì)胞中高效地分離數(shù)量稀少的循環(huán)腫瘤細(xì)胞仍然是阻礙其在常規(guī)臨床實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@一挑戰(zhàn)限制了對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞的靈敏識(shí)別和表征分析。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述挑戰(zhàn)，來自土耳其微型生物系統(tǒng)公司（Mikro Biyosistemler A.S.）和中東技術(shù)大學(xué)（Middle East Technical University）等機(jī)構(gòu)的研究人員提出了一種新穎的螺旋微流控通道設(shè)計(jì)。首先，該微流控通道的前端被設(shè)計(jì)為雙阿基米德螺旋形狀。其次，研究人員采用二維（2D）數(shù)值模擬設(shè)計(jì)了具有不對(duì)稱水翼形狀的連續(xù)流線型微柱的加寬出口。這種單入口、雙出口的微流控通道能夠?qū)崿F(xiàn)高通量（1500 μL/min）操作，而且無需在入口處使用鞘流，從而簡化了整體操作。相關(guān)研究成果近期以“Analytical Validation of a Spiral Microfluidic Chip with Hydrofoil-ShapedPillars for the Enrichment of Circulating Tumor Cells”為題發(fā)表在biosensors期刊上。

圖1 （a）出口部位有分離壁的典型阿基米德螺旋微流控通道；（b）出口部位加寬的螺旋微流控通道；（c）出口部位加寬并帶有水翼的螺旋微流控通道

圖2 帶有水翼的加寬出口部位的二維數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證這種螺旋微流控通道設(shè)計(jì)（5H-50）的有效性，研究人員利用5 mL加標(biāo)了100個(gè)MCF-7細(xì)胞（人乳腺癌細(xì)胞）的健康血液樣本對(duì)其與兩種基準(zhǔn)設(shè)計(jì)（第一種：出口部位無加寬通道和水翼結(jié)構(gòu)的螺旋微流控通道設(shè)計(jì)（BARE）；第二種：出口部位有加寬通道但無水翼結(jié)構(gòu)的螺旋微流控通道設(shè)計(jì)（BARE-W））進(jìn)行了對(duì)比測試。

測試結(jié)果證明，在流速為1500 μL/min的情況下，基于5H-50設(shè)計(jì)的微流控芯片在MCF-7細(xì)胞回收率方面明顯更勝一籌（其回收率為67.9%；基于BARE設(shè)計(jì)的微流控芯片的MCF-7細(xì)胞回收率為23.6%；基于BARE-W設(shè)計(jì)的微流控芯片的MCF-7細(xì)胞回收率為56.7%），但其白細(xì)胞（WBC）耗盡率卻略低（其耗盡率為94.2%；基于BARE設(shè)計(jì)的微流控芯片的白細(xì)胞耗盡率為98.6%；基于BARE-W設(shè)計(jì)的微流控芯片的白細(xì)胞耗盡率為94.2%）。

圖3 利用微加工工藝制備的硅-玻璃基微流控芯片：（a）基于BARE設(shè)計(jì)的微流控芯片及其通道結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（b）基于BARE-W設(shè)計(jì)的微流控芯片及其通道結(jié)構(gòu)的SEM圖像；（c）基于5H-50設(shè)計(jì)的微流控芯片及其通道結(jié)構(gòu)的SEM圖像

圖4 加標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，基于5H-50、BARE-W和BARE設(shè)計(jì)的微流控芯片的白細(xì)胞損耗率和MCF-7細(xì)胞回收率

隨后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種螺旋微流控通道設(shè)計(jì)（5H-50）的廣泛適用性，研究人員分別利用A549（肺癌細(xì)胞）、SKOV-3（卵巢癌細(xì)胞）和BT-474（乳腺癌細(xì)胞）細(xì)胞對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步測試。測試結(jié)果顯示，基于5H-50設(shè)計(jì)的微流控芯片對(duì)3種細(xì)胞的回收率分別為62.3% ± 8.4%、71.0% ± 6.5%和82.9% ± 9.9%。該結(jié)果與各細(xì)胞的大小和變形性差異有關(guān)，即細(xì)胞的尺寸增大和變形性減小會(huì)對(duì)回收率產(chǎn)生正向影響。

圖5 基于5H-50設(shè)計(jì)的微流控芯片對(duì)健康血液樣本（5 mL）中加標(biāo)的MCF-7（n = 8）、A549（n = 5）、SKOV-3（n = 7）和BT-474（n = 5）細(xì)胞的回收率

最后，研究人員對(duì)經(jīng)過該螺旋微流控芯片處理前后的細(xì)胞進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，細(xì)胞活性未受影響。此外，通過利用這種螺旋微流控芯片以及第二代測序技術(shù)（NGS）、免疫熒光和熒光原位雜交/RNA-原位雜交（FISH/RNA-ISH）技術(shù)，可以在單細(xì)胞水平上對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞的DNA、蛋白質(zhì)和基因表達(dá)水平進(jìn)行快速、精確的表型表征。

展望未來，研究人員的下一步工作主要為利用乳腺癌和非小細(xì)胞肺癌患者的血液樣本對(duì)所設(shè)計(jì)的螺旋微流控芯片進(jìn)行下一步的驗(yàn)證研究。此外，研究人員還將致力于循環(huán)腫瘤細(xì)胞富集工作流程的自動(dòng)化，以減少手動(dòng)操作時(shí)間，并使其更好地適用于臨床實(shí)驗(yàn)室中已開發(fā)的工作流程。隨著其以標(biāo)準(zhǔn)化方式識(shí)別循環(huán)腫瘤細(xì)胞上相關(guān)生物標(biāo)記物的能力得到驗(yàn)證，該工作流程有望通過生成臨床可操作數(shù)據(jù)，用于患者隨訪、治療指導(dǎo)和精準(zhǔn)醫(yī)療，從而在揭示循環(huán)腫瘤細(xì)胞的臨床效用方面更進(jìn)一步。

審核編輯：劉清