基于石墨烯新型三维结构的循环肿瘤细胞选择性捕获与传感研究

Circulating tumor cells which are escaped from the primary tumor are considered as the main pathway of cancer metastasis. How to enrich, separate and detect circulating tumor cells with extremely low concentration from circulatory system is a key issue to explore the mechanism of tumor invasion and metastasis. Graphene has shown excellent electrical conductivity, good biocompatibility, high stability, low toxicity, and its raw material is cheap and common, which is thus considered as a potential material for biomedicine application. In this proposal, we plan to design and build three-dimensional graphene assemblies, and use the assemblies to capture and detect the trace amount of circulating tumor cells in the blood by use of the specificity of antibodies, strong interaction between nanoparticles and cells and excellent conductivity of graphene. We will use fluorescence imaging technique and flow cytometry to study the selective capture of circulating tumor cells by the graphene assembly, and detect the circulating tumor cells by testing the impedance changes during the process of capturing circulating tumor cells. The goals of this proposal are: to obtain three dimensional graphene assemblies which can selectivity capture circulating tumor cells (efficiency higher than 90%); to found an impedance identification method during capturing a particular kind of circulating tumor cells; to realize the enrichment and detection of circulating tumor cells in blood samples.

从原发肿瘤脱落出来的循环肿瘤细胞被认为是癌症远距离转移的主要途径。如何富集分离、检测循环系统中含量极少的循环肿瘤细胞，是探索肿瘤侵袭和转移机理的关键问题。具有优异导电性的石墨烯材料，以其良好的生物相容性、稳定、毒性小，且原料廉价、易得等特点，成为生物医学领域中一种理想材料。本项目提出设计构筑石墨烯三维结构组装体，在其表面生长纳米粒子并修饰抗体分子，利用抗体的特异性、细胞与纳米粒子的强作用力及石墨烯优异的导电性质，实现对循环肿瘤细胞高选择性高捕获效率的分离检测。我们将结合荧光成像技术和流式细胞仪研究组装体对循环肿瘤细胞的选择性捕获；利用半导体特性分析仪研究组装体捕获细胞过程中对循环肿瘤细胞的传感性能。最终实现如下研究目标：获得选择性捕获循环肿瘤细胞的石墨烯三维结构组装体，捕获效率90%以上；建立利用组装体阻抗变化检测循环肿瘤细胞的方法；实现从全血样本中富集分离、检测循环肿瘤细胞。

从原发肿瘤脱落出来的循环肿瘤细胞被认为是癌症远距离转移的主要途径。如何富集分离、检测循环系统中含量极少的循环肿瘤细胞，是探索肿瘤侵袭和转移机理的关键问题。具有优异导电性的石墨烯材料，以其良好的生物相容性、稳定、毒性小，且原料廉价、易得等特点，成为生物医学领域中一种理想材料。本项目提出设计构筑石墨烯三维结构组装体，在其表面生长纳米粒子并修饰抗体分子，利用抗体的特异性、细胞与纳米粒子的强作用力及石墨烯优异的导电性质，实现对循环肿瘤细胞高选择性高捕获效率的分离检测。我们利用荧光显微镜对石墨烯三维结构捕获循环肿瘤细胞进行研究，发现循环肿瘤细胞分布在整个石墨烯三维结构中；通过研究捕获过程中石墨烯基底的电阻变化和阻抗变化，发现其电信号具有规律性变化，从而建立了等效电路图，为进一步构筑检测设备提供工作原理。我们也将石墨烯基底用于肿瘤标志物的光电化学检测，发现石墨烯三维结构对肿瘤标志物具有高效的传感响应，其检测限可达0.05 ng/mL。随后我们设计了一种石墨烯三维结构的水蒸汽还原制备法，可以得到任意形状的石墨烯三维结构气凝胶。这种气凝胶可以作为传感研究的导电基底。我们还将石墨烯基底的制备原理应用于其他基底的制备，如石墨烯仿生结构基底、半导体聚合物仿生多孔基底、PDMS仿生基底等，并系统研究了这些基底在细胞生长、抗菌杀菌、光电响应等方面的应用，都取得了优异的传感效果。另外我们也开发了多种具有光电信号响应的半导体材料，如黑二氧化钛、碘氧化铋等，这些材料都表现出了良好的光电响应特性。这些研究成果为设计生物相容性的导电基底提供了新的策略与结果。项目资助在相关领域高水平专业期刊上发表高质量论文20篇；参加学术会议5个，国内会议论文5篇；获得授权13件，申请但尚未获授权的专利3件；培养博士研究生4名，硕士研究生9名。