单细胞高效识别、捕获与原位分析的石墨烯基生物界面设计

Specific and sensitive detection of circulating tumor cells (CTC) is a particularly important technique in recent clinical studies, for the potential applications in the research of tumor development, tumor therapy and tumor-drug interactions. The main technical challenges in this field are to selectively recognize the CTC and actively release of captured cells for the further analysis. The combination of in-situ analysis with CTC-capturing provides an innovative solution for CTC detection. Aim to improving the efficiency of CTC capture and analysis the CTC without releasing, the graphene oxide will be micro-patterned with cellular matched-morphology via self-assembling. The special morphology endows the biointerface with enhanced cell-surface interaction and single cell trapping effect. Subsequently, the antibody or aptamer would be immobilized on the surface for the selective recognition of CTC. Based on the principle of cell recognition, capture and trapping, the graphene-based interface would be then equipped with electrical device for the in-situ analysis of CTC which is important but rare reported. The drug-tumor interaction and therapeutic evaluation would be performed on the resultant device to gain insight into initiate mechanism in formation of cancer. This designed graphene based biointerface exhibits promising potential for cancer therapy and provides new technique for clinical analysis.

目前，全球癌症问题形势严峻，其关键是缺乏有效的癌症早期诊断技术。因此，实现早期循环肿瘤细胞（CTC）的检测对探究肿瘤形成和提高患者生存率具有重大的意义。CTC检测技术中的核心问题在于实现高灵敏识别捕获，同时为了细胞功能分析和深入探究癌症形成机理，还要求实现CTC高纯度和高活性转移释放。基于此，将活细胞分析技术集成到CTC捕获中能大大简化CTC检测分析的步骤。相较于传统技术，本项目引入微纳米拓扑粗糙结构增加了细胞的捕获效率，同时其结构参数与单细胞的尺寸相当，可实现单细胞限域。界面材料采用石墨烯可构筑生物传感器，能将CTC的生长规律、CTC与药物相互作用等生物信号转化为电信号，实现原位分析。本项目发展一种基于石墨烯的单细胞高效识别、捕获与原位分析的生物传感器，突破了传统技术中需要活性转移释放等繁琐工艺，为临床癌症诊断提供新技术，有望用于掌握肿瘤形成和治疗的基本机理，为人口健康提供新的技术保障。

在癌症致死率中，90%由于癌症晚期并发症所致。提高癌症早期诊出率可极大改善癌症治疗的效率，增加病人的存活时间。且相比较于复杂治疗方案的开发，通过血液检测循环肿瘤细胞（CTC）来进行癌症诊断具有高效快速的特点。因此，基于CTC的早期诊断具有重要意义。而细胞作为最小的生命单元，携带着非常丰富的病理信息。传统检测手段中，将细胞视为没有差异的群体则将遗漏众多决定疾病发展的重要信息。因此，随着单细胞分析技术的不断完善，在完成CTC的检测基础任务上，迫切需要开发一种集成灵敏检测和原位单细胞分析的手段。值得一提的是目前所用于CTC检测的生物材料制备过程往往极其繁琐。为此，本项目通过自组装呼吸图案法制备具有仿生蜂窝状多孔生物界面，优化结构形成孔径为18微米、深度为6微米的高通量诊断平台。通过SPR原位检测了CTC高特异识别抗体的化学共价修饰。研究结果表明物理结构影响孔陷域的细胞数量，而化学因素则决定着捕获细胞的能力。协同免疫识别和物理拓扑阵列形成对循环肿瘤细胞具有高灵敏性的检测。在检测低限为每毫升血液中含有50个CTCs的条件下，依然能检测到目标CTC。并成功应用于多名癌症病人的血样检验。此外，蜂窝状多孔阵列提供了本征的物理屏蔽效应，防止细胞间形成相互接触而导致的信号串级，可应用于原位单细胞分析。转移启动细胞是循环肿瘤细胞群体中，具有高度转移威胁的恶性亚群。它们通过高度表达基质金属蛋白酶等来达到入侵正常组织的目的。本文通过对捕获的CTC基质蛋白酶的表达水平进行原位单细胞分析，筛选出了高潜在的转移启动细胞。该方法兼具呼吸图案法自组装简便操作，拓扑增敏特异识别，高效单细胞陷域和原位单细胞分析的特点。进一步，通过各项异性的多孔阵列验证了陷域细胞的药物响应异质性，有望为肿瘤诊断和治疗提供新的分析方法。