基于微流控芯片的循环肿瘤细胞无标记分选及基因检测新方法研究

This proposal aims at developing a multi-stage microfluidic system for a rapid and continuous separation of circulating tumor cells (CTCs) from peripheral blood in a label-free manner, and on-chip pretreatment, amplification, and detection of nucleic acids in isolated CTCs. CTCs shed from either primary or metastatic cancers have been identified in the peripheral blood of patients, and are often associated with cancer metastasis and tumor recurrence. The majority of deaths from cancer in human patients are caused by metastasis, suggesting a need to precisely isolate and detect CTCs from whole blood. The proposed microfluidic system integrates: (1) a label-free CTCs isolation module; (2) a nucleic acid pretreatment module; and (3) an on-chip Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) module. The operation of the microfluidic chip and the readout of results are automated by designing a custom-made portable instrument. As the proposed microfluidic system carries many advantages such as disposability, label-free, high-throughput, easy operation, low cost, and reduced cross contamination and biohazard risks, we expect this system to have an impact on fundamental and clinical studies of circulating tumor cells.

本项目拟设计构建多级模块化微流控芯片系统，用于外周血中循环肿瘤细胞（CTC）的快速无标记分离，及高灵敏基因检测。癌症是严重威胁人类生命健康的重大疾病之一，肿瘤细胞脱落、侵袭并进入血液循环，到达全身组织、影响器官功能是造成癌症相关死亡的主要原因。特异、敏感地检测血液中极微量的CTC有助于肿瘤早期诊断和复发转移监控，并为肿瘤治疗提供新的靶点和策略。芯片集成（1）无标记肿瘤细胞分离富集模块；（2）芯片在线核酸提取模块；及（3）核酸等温扩增和读出模块，配套小型便携式的仪器，实现芯片的自动操作及结果判读。多级模块化微流控芯片系统具有结构简单，高通量、无复杂仪器要求、操作简便等优点，有利于形成一套完整的基于CTC的癌症早期诊断及疗效评价的整套实验方案和标准，其不仅具有重要的科学意义，而且将有效推动我国微流控芯片技术抢占国际科技竞争的制高点。

癌症是严重威胁人类生命健康的重大疾病之一。肿瘤细胞脱落、侵袭并进入血液循环，到达全身组织、影响器官功能是造成癌症相关死亡的主要原因。特异、敏感地检测血液中极微量的CTC有助于肿瘤早期诊断和复发转移监控，并为肿瘤治疗提供新的靶点和策略。本项目拟设计构建多级模块化微流控芯片系统，用于外周血中循环肿瘤细胞（CTC）的快速无标记分离，及高灵敏基因检测。在实施过程中，我们按照计划书的研究目标和内容展开研究，在完成既定研究任务的前提下，我们又进一步拓展了研究的广度和深度。项目实施中的重要进展如下：1）构建了两种CTC检测的微流控分析系统，实现了对CTC的高效捕获及在线分析检测；2）构建了多个可用于肿瘤标志物和循环肿瘤细胞核酸检测的微流控分析系统，形成了一体化微流控芯片和与之配套的便携式检测仪器；建立了基于一维条码读出的侧向层析检测方法，并实现了条码化层析试纸条的快速制造；3）发展了可用于肿瘤示踪、治疗的纳米材料。我们发展了可以用作核磁共振成像造影剂的纳米颗粒、可靶向耐药性肿瘤的纳米载体、可对肿瘤细胞进行基因编辑的纳米药物，为肿瘤的防治提供了系列新方法和技术；4）构建了基于微流控芯片的肿瘤及肿瘤血管模型。我们发展了基于微流控芯片的肿瘤微环境模型，可以实时高通量观察肿瘤细胞和其它细胞的相互作用，同时可以高通量进行抗癌药物的筛选；5）基于柔性电子器件的检测平台。我们基于液态金属和聚合物发展了一系列柔性健康监测器械，为实时远程监测包括CTC和肿瘤标志物水平在内的多项健康指标提供了技术支持。在项目的支持下，共发表研究论文100篇，申请国家发明专利7项。培养博士后3人，博士研究生8人，硕士研究生1人。