基于DNA纳米结构的微流控芯片用于循环肿瘤细胞的捕获、释放及体外培养研究

Circulating tumor cells (CTCs) is a kind of cancer cells shed from tumor site and enter into blood circulation. It is gradually discovered of the potential value of CTCs in diagnosis of cancer in initial stage and research of metastasis mechanism. However, the extraordinary rarity and hurts in the detection process of CTCs make the subsequent molecular and functional analysis technically challenging. So how to enhance the capture-efficiency and keep the viability of CTCs are becoming the important scientific issues in the fields of research. Herein, a new microfluidic system basing on DNA nanostructures for the specific capture, release and culture of CTCs will be developed. DNA tetrahedral and DNA origami are used to build 3D platform which captures CTCs via the recognition between aptamer and receptor proteins. What’s more important, it is expected that 3D platform in the microfluidic channels would decrease the shear stress that can destroy CTCs, which helps to keep the high viability of CTCs. In addition, the design of enzyme cleavage sites makes it simple and efficient to release the captured CTCs, subsequently realizing the enrichment and in vitro culture of CTCs. Achievements of this research will supply not only new method for the early diagnosis of tumor, but also basic structures and technical bases for the research of cancer about its occurrence and development.

循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs）在癌症的早期诊断及肿瘤转移机制研究等方面的作用日渐显著，但由于血液中的CTCs含量极少，且在检测等过程中易损伤，使得后续针对CTCs 的功能分析面临巨大挑战。因此，如何实现CTCs高效特异捕获的同时，维持CTCs的生物活性成为当前相关研究领域中亟待解决的关键问题。本项目拟建立一种基于DNA四面体和DNA折纸这两种纳米结构的微流控装置实现CTCs的捕获、释放及体外培养的方法。DNA纳米结构搭建的三维平台通过aptamer捕获样品中的CTCs；三维平台降低通道内的流体剪切力对CTCs的损伤，维持CTCs的生物学活性；另，酶与酶切位点的作用促使CTCs的释放，实现CTCs在芯片内的富集和体外培养。该项目研究成果有望为肿瘤的早期诊断提供新的高效检测手段并为研究肿瘤的转移发生和发展等生命科学问题提供有力的理论基础和技术依据。

循环肿瘤细胞检测对癌症诊断、预后和疗效评估等具有重要意义。然而目前，CTC分离、富集、检测一体化的集成型研究仍是一项挑战性的工作，无法满足实际的研究和应用需求。本项工作中，以人乳腺癌细胞MCF-7为研究模式细胞，将应用较为广泛的框架核酸—DNA四面体纳米结构与微流控芯片技术相结合。通过对DNA四面体结构尺寸的设计，精准调控其在微流控基底表面的组装密度，从而构建了微流体环境中用于MCF-7检测的高效纳微生物传感界面。细胞随后经酶切释放，于微流控芯片的微腔结构中富集、培养， 测定其生长曲线，并评价细胞生物活性。结果表明，细胞浓度范围为100000~10个/mL时，该系统对MCF-7的检测呈良好的线性关系，最低可实现1mL溶液中10个细胞的灵敏检测，且具有良好的检测特异性。另外，该操作系统对细胞的损伤小，释放后的细胞可以保持完整的细胞膜，生物活性良好，存活率高；同时该系统便于细胞培养的实时观察以及单细胞分析。.另外我们还以大肠杆菌O157：H7为研究模式菌，研究了该系统用于病原微生物的捕获，释放，富集，体外培养及药敏实验的性能研究。结果表明，该系统可以同时完成6个样品的检测，检测时间少于2 h。检测限为10CFU/mL，检测特异性良好。为了进一步检测该微流控平台的实用性和准确性，将大肠杆菌O157：H7细胞分别加在牛奶和橙汁中用该微流控芯片进行检测，回收率为88.3% ~108.3%。微腔中细菌富集率达到92.8%； 5小时内即可完成6种不同抗生素对大肠杆菌O157：H7细胞的药物敏感性实验并测得每种抗生素的最低抑制浓度。作为延伸工作，我们还发展了一种基于末端转移酶的DNA纳米簇结构与试纸条结合构建了一种用于恩诺沙星便捷灵敏检测的适配体生物传感器； .总之，我们发展的基于DNA纳米结构及DNA纳米技术的生物传感器、集成型微流控系统、高灵敏试纸条，无论在医疗卫生、食品安全以及环境监测等领域都表现出良好的应用前景。