罗春雄/杨根课题组在Lab Chip以正封面发表新型循环肿瘤细胞的高效捕获系统及医学应用的研究进展

2020年11月， 北京大学定量生物中心/物理学院罗春雄课题组和北京大学重离子物理研究所杨根课题组在Lab on a Chip以正封面发表题为“A novel microfluidic device integrating focus-separation speed reduction design and trap arrays for high-throughput capture of circulating tumor cells”的研究论文，设计了一种微流控芯片，将基于流线的设计和基于过滤的分析细胞的理念进行整合， 实现了快速高效和高纯度的从癌症患者血液中分离循环肿瘤细胞。

图1 芯片的整体示意图（文章作为正封面被Lab on a chip进行推荐）

循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTC）指的是从原位瘤脱落下来进入到循环系统的肿瘤细胞。其数量极其稀少，大约一毫升血液里只有几个到几百个。对癌症患者血液中的CTC进行检测具有极其重要的意义，首先可用于早期诊断和临床辅助诊断；其次对于已经诊断为癌症的患者，通过检测其血液中的CTC个数，可推测其预后；最后血液中的CTC个数也反映了癌症负担情况和各种疗法的有效性。但是现有的CTC检测方法仍存在一定的问题，包括检测成本高，检测所需时间长，检测效率低等。此外现有的检测方法大多严格依赖流速，流速的轻微变化会导致效率的下降。总之目前仍缺少一种低成本、易于操作的、能同时实现高流速，高效率（效率随流速保持恒定）和高纯度的CTC检测方法。

合作研究组提出了一种整合型的微流控芯片设计，将基于流线的降速结构和基于过滤的捕获结构进行整合，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）。具体过程为，基于流线的降速结构依赖细胞尺寸对其进行汇聚和分流，由于CTC的尺寸相比白细胞和红细胞更大，因此CTC能被显著汇聚到通道中心，而白细胞和红细胞的分布则相对更分散。通过匹配流阻，合理设计分流通道，能保证通道中心的CTC全部被保留，而通道边缘的白细胞和红细胞则被直接分流到出口，流出芯片。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些，更重要的是，液流速度得到了下降（大约变为原来的一半）。经过7个这样的降速结构后，液流进入捕获结构，此时液流流速已经降低为初始流速的百分之一。CTC由于细胞尺寸较大，相对白细胞短时间不易形变，会被卡在三角形阵列之间的间隙。而白细胞和红细胞由于尺寸较小，容易形变，会从间隙漏出，流出芯片。

图2 降速结构的COMSOL模拟和实验结果

除了实验室的细胞系实验外，课题组也与山东省济宁二院合作，对11例癌症患者血液中的CTC进行了检测，检出率高达100%，其中CTC个数从6-117个/mL不等，平均值31个/mL，中位数25个/mL。其中包括一例较早期的患者（stage IIB）。这表明我们设计的微流控芯片有可能能实现癌症患者的早期检测。且由于其成本低，方便快速，效率高，对操作条件不敏感等，使其非常适合应用于临床。该微流控芯片已申请国际和国内专利各一项。

图3 临床癌症患者CTC检测结果

罗春雄教授和杨根副教授为本文的通讯作者；北京大学重离子物理研究所17级博士生芦春洋和物理学院17级硕士生许健为该文的第一作者，其他参与人还包括北京大学欧阳颀院士，王宇钢教授，以及北京大学物理学院博士生韩锦涛，定量生物学中心博士生李晓等。该工作获得了物理学院介观物理重点实验室，国家自然科学基金重点和面上项目的资助和支持。