基于微柱陣列的微流控芯片實(shí)現(xiàn)癌癥患者血液中CTCs的有效分離

惡性腫瘤已成為我國(guó)死亡率最高的重大疾病之一，90%以上的腫瘤病人死亡是因?yàn)槟[瘤的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)。

因此，一些學(xué)者對(duì)這一疾病的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行了研究，早在1896年，Ashworth提出了循環(huán)腫瘤細(xì)胞的概念，循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）指從原位腫瘤病灶脫落，侵襲并進(jìn)入外周血液循環(huán)系統(tǒng)的腫瘤細(xì)胞，該細(xì)胞被認(rèn)為是腫瘤轉(zhuǎn)移的必要前提。然而，外周血中CTCs數(shù)量極少，如何捕獲它們就成為了挑戰(zhàn)。

近期，荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員通過(guò)引入一種新型高效的基于微柱陣列的微流控芯片，實(shí)現(xiàn)了癌癥患者血液中CTCs的有效分離。

為了達(dá)到CTCs分離的最大效率并提高捕獲純度，研究人員探究了微柱的幾何形狀和模式對(duì)癌細(xì)胞分離的影響。首先，研究人員將微柱設(shè)計(jì)成圓形、矩形、三角形和菱形等四種不同的幾何形狀，并用COMSOL Multiphysics模擬了微柱排列的影響。

圖1 不同幾何形狀的微流控芯片

結(jié)果表明，柱間距離相同的芯片上方的總壓降要高于柱間距離逐漸減小的芯片。相應(yīng)地，在這種狀態(tài)下，細(xì)胞承受的壓力更大、破裂的風(fēng)險(xiǎn)更高，且細(xì)胞活力更低。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步探討了流速和壓力對(duì)柱間距離逐漸減小的芯片的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的生存能力主要取決于微柱的幾何形狀。



圖2 不同幾何形狀的微流控芯片內(nèi)流體壓力和速度的數(shù)值模擬結(jié)果

CTCs分離具有許多性能特征，包括捕獲效率、富集因子和細(xì)胞活力。為了驗(yàn)證所制造的芯片可以有效分離不同癌癥細(xì)胞CTCs，研究人員使用了兩種癌細(xì)胞系測(cè)試了芯片的性能，一種是前列腺癌細(xì)胞系PC3，另一種是乳腺癌細(xì)胞系MDA-MB-231。結(jié)果表明，菱形微流控芯片具有更好的分離性能，其捕獲效率大于85%，純度大于90%，且分離細(xì)胞存活率高達(dá)97%。

圖3 基于不同癌癥細(xì)胞評(píng)估不同類型的微流控芯片性能

最后，研究人員還利用12名乳腺癌患者的血液樣本對(duì)所設(shè)計(jì)的微流控芯片的CTCs檢測(cè)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的微流控芯片檢測(cè)到的CTC數(shù)值與患者的乳腺癌進(jìn)展之間具有明確的相關(guān)關(guān)系，顯示出良好的監(jiān)測(cè)癌癥發(fā)展進(jìn)程和輔助癌癥個(gè)性化治療的潛力。

圖4 乳腺癌患者循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）的檢測(cè)與計(jì)數(shù)

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https://doi.org/10.1016/j.jare.2022.08.005






審核編輯：劉清