基于确定性侧向迁移原理的免疫微流控芯片及其在生物分离分析中的应用

The efficient, highly sensitive, rapid separation and analysis of specific targets in complex biological systems has a wide range of needs in life, environment, materials, medicine and other fields. The effective separation of different size and low abundance targets in the complex biological systems, especially for scarce and low abundance cells, proteins and biomarkers, is an important way to realize highly sensitive detection of biological targets and disease diagnosis. In this proposal, we propose a new separation and analysis method based on the principle of immune deterministic lateral displacement (DLD) microfluidics by constructing a bio-identification interface directly on the surface of DLD microarray. We aim to explore the motion and separation of micro-particles in immune DLD microchips with different size spacing, microcolumn shape, ionic strength, flow rate and surface modification, as well as the synergistic effect of size-based separation and specific biorecognition. Based on the high precision MEMS processing technology such as nanoimprint and atomic layer deposition, the immune DLD was extended to submicron and nanometer scale. We will establish the theoretical model of nano-DLD by using COMSOL Multiphysics software and mathematical modeling. A new method for the separation and analysis of cells, exosomes and proteins will be developed. The results of this project will provide a scientific basis for the efficient separation and analysis of multi-size targets in complex biological samples.

复杂生物体系中特定靶标的高效、高灵敏、快速分离分析在生命、环境、材料、医药等领域都有广泛的需求。发展复杂生物体系中不同尺寸、低丰度靶标的有效分离，特别是针对稀少细胞和低丰度蛋白、标志物的分离与富集分析，是实现生物靶标高灵敏检测和疾病诊断的重要途径。本项目拟通过直接构筑生物识别界面，建立基于免疫确定性侧向位移（DLD）芯片的分析检测方法。探索具有不同尺寸间距、微柱形状、离子强度、流速及不同表面生物分子修饰的免疫DLD芯片中微米粒子运动行为和分离规律，实现基于物理尺寸大小与生物特异识别的协同作用。并以纳米压印和原子层沉积等高精MEMS加工技术为基础，将免疫DLD拓展至亚微米及纳米尺度，运用COMSOL Multiphysics软件和数学建模研究建立nano-DLD的理论模型，建立细胞、外泌体和蛋白的微纳尺度分离分析新方法。本项目的研究结果将为复杂生物样品中多尺寸靶标的高效分离分析提供科学依据。

复杂生物体系中特定靶标的高效、高灵敏、快速分离分析在生命、环境、材料、医药等领域都有广泛的需求。本项目的主要研究内容是通过直接构筑生物识别界面，建立基于免疫确定性侧向位移（DLD）芯片的分析检测方法。项目为了构筑特异性生物识别界面，建立了多种高效识别分子筛选甄定新方法，获得高性能识别分子，为免疫DLD提供识别分子基础，同时也为分子识别领域发展提供了重要的筛选方法学及识别序列基础；其次，基于免疫DLD芯片，提出循环肿瘤细胞捕获新策略，实现循环肿瘤细胞的高效捕获、分型分析和无损释放；此外，项目还将免疫DLD方法拓展至循环稀有胎儿细胞的高效捕获，有望发展成为新一代无创产前诊断技术；最后，为了对捕获释放的稀有细胞进行下游分析，建立系列单细胞分析平台，为早期诊断肿瘤、无创产前和个体化治疗提供指导。项目共发表论文45篇，包括Science，JACS，Angew，Bioact Mater，Anal Chem，Lab Chip等，申请国内发明专利18件，已授权11件。项目团队积极响应国家促进科技成果转化的号召，项目发展的循环肿瘤细胞高效捕获平台已实现产业化，并在肿瘤临床医学上得到推广应用。已在结直肠癌、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、膀胱癌、胃癌、鼻咽癌、卵巢癌、白血病、肝癌等相关癌症中取得超过1200例的临床检测与应用，检出率达90%，为液体活检研究做出贡献，在肿瘤分期诊断、动态监测、疗效评估、药物开发和预后监测等方面取得重要进步。