一种基于微柱和纳米纤维的3D微流控芯片构建及其在循环肿瘤细胞捕获与释放上的应用研究

The major cause of death in cancer patients is distant metastasis. Circulating tumor cells (CTCs) are the cells which detached from the primary tumors and travel into the blood circulation, emerging as novel tumor biomarkers and providing unique information for the cancer patients. The detection of CTC is useful and innovational for the prognosis. Accordingly, the development of a novel device for efficient capturing and controlled release of CTCs is a subject with significant research sense and application prospect. However, challegens remain in improving CTCs capturing and releasing efficiency. We have demonstrated highly CTCs capturing on different micro/nano structures, such as microchips, nanofibers, due to the enhanced topographic interactions between the structure and cell surface components. These preliminary results constitute a solid foundation for realizaiton of our proposed research. Herein, we propose to develop a CTCs capture and release platform based on immune recognition, optical switch, upconversion nanoparticles and micro/nano structure coupled with 3-dimension microfluidic chip, taking advantage of the size, surface structure and electric characterizaiton of CTCs. We believe that the implementation of this project will significantly improve the sensitivity and accuracy of tumor metastasis detection. Industrialization of our research results has great scientific senses and clinical value in early diagnosis, monitoring of tumour recurrence, antitumour drug evaluation and treatment of cancer disease.

肿瘤远端转移是肿瘤患者死亡的主要原因，而循环肿瘤细胞（CTCs）不仅是肿瘤发生远端转移的必经步骤，也与肿瘤诊疗、预后和复发有着密切关系。因此，发展一种CTCs捕获与释放的新技术，具有重要研究意义和广阔应用前景。目前，高效捕获和无损可控释放是CTCs研究的两大挑战。前期研究表明，微纳结构与免疫识别在CTCs高效捕获中具有极大潜力。本项目中，申请人基于现有CTCs捕获研究基础，进一步将微流控芯片动态捕获与免疫识别静态捕获相结合，利用环糊精/偶氮苯主客体作用作为光响应开关，再结合β-NaYF4:Yb3+/Er3+/Gd3+上转换材料，拟构建一种基于微柱和纳米纤维、免疫识别与光控开关多模块相耦合的3D微流控芯片，用于CTCs的高效捕获与980nm近红外光响应无损可控释放。该项目研究可以为肿瘤转移早发现、肿瘤复发追踪、化疗药物快速评估、肿瘤新药物开发以及个体化治疗药物筛选和耐药性分析等提供新途径。

肿瘤远端转移是肿瘤患者死亡的主要原因，而循环肿瘤细胞（CTCs）不仅是肿瘤发生远端转移的必经步骤，也与肿瘤诊疗、预后和复发有着密切关系。因此，发展一种CTCs捕获与释放的新技术，具有重要研究意义和广阔应用前景。目前，高效捕获和无损可控释放是CTCs研究的两大挑战。前期研究表明，微纳结构与免疫识别在CTCs高效捕获中具有极大潜力。本项目以微流控芯片技术为导向，以发展高效、灵敏、快速的CTC检测新方法为目标，研制了一系列基于新型纳米材料的微流控芯片，成功构建了3D微流控芯片，建立了CTC的高灵敏检测技术。构建的3D微流控芯片显著增大了细胞捕获的真实面积，大大提高了细胞的捕获量。同时，利用石墨烯、金纳米、微柱等协同效应促进了电子传递速度，使检测灵敏度大大提高。利用伏安法、表面等离子体共振等技术研究了这些功能界面对细胞的捕获能力，实现了乳腺癌细胞MCF-7的检测，检测限为10个细胞/mL，低于相关文献报道检测CTC的检测限。重复10次测定的偏差小于5%。用于肿瘤病人实际血液样品的测定，获得满意结果。随后，我们利用静电组装技术将上转换材料（UCNP）与光控开关相结合，再利用CTCs的生物学性质修饰特异性抗体以捕获细胞，通过980 nm的近红外光的照射，开发一种CTCs捕获效率高、释放活性高的技术。此技术在满足癌细胞高效捕获的同时实现癌细胞无损伤释放，获得具有较高生物活性的乳腺癌细胞，对后续的分子生物学分析有着重大意义。为肿瘤转移早发现、肿瘤复发追踪、化疗药物快速评估、肿瘤新药物开发以及个体化治疗药物筛选和耐药性分析等提供重要依据。这种可循环利用芯片实现了可持续发展角度，节约了成本，使得该技术推向临床更近了一步。