单细胞层次宫颈癌早期检测光散射技术研究

Cervical cancer ranks the second among the incidences of female malignant tumors, where the early diagnostics plays an important role in cervical cancer treatment. Current techniques for cervical cancer detection depend on the cervix cytology, which has demanding requirements on the observer's clinical experience. Light scattering is a label-free technique for cell analysis that has the potential to perform early diagnostics of cervical cancer at single-cell level, objectively and rapidly. Mie theory offers the accurate solution for light scattering from a homogeneous sphere, however can only be used to calculate the light scattering from biological cells approximately, due to the non-homogeneity and irregular shape of the cells. This project will explore a novel method that based on Mie theory and Huygens' Principle for the simulation of light scattering from single cells, to disclose the light scattering principles for laser interaction with biological cells (normal and cancerous cervical cells). Meanwhile, new experimental method will be studied that combines the light scattering and microfluidic techniques to excite light scattering from a single cell. Novel methods will be explored to enhance the signal to noise ratio of the light scattering measurements for the obtaining of two dimensional light scatter patterns from single cervical cells. Based on the pattern analysis of the obtained simulation and experiment results, new light scattering parameters will be explored for the objective and rapid discrimination of normal cervical cells from the malignant ones, this will solidify the foundation for the clinical applications of the light scattering method for early detection of cervical cancer.

宫颈癌发病率高居女性恶性肿瘤第二位，实现早期诊断对宫颈癌治疗意义重大。现有的宫颈癌检测技术主要依赖宫颈细胞学，对观测者的临床经验有着很高的要求。光散射法是一种无标记细胞分析技术，具有在单细胞层次上客观、快速地进行宫颈癌早期诊断的潜力。Mie理论可给出来自均匀球体光散射的精确解，由于生物细胞的非均匀性以及不规则性，该理论目前只能用于单个生物细胞光散射的粗略估算。项目将探索建立在Mie理论与惠更斯原理上的单细胞光散射模拟计算方法，揭示激光与单个生物细胞(正常与癌变宫颈细胞)相互作用的光散射规律。同时，研发光散射与微流控有机集成新技术，实现对单个受控细胞的光散射激发，探索提高光散射测量信噪比的新方法，获得单个宫颈细胞的二维光散射图样。在图样分析比较理论与实验结果的基础上，项目将探索新的光散射参数达到客观、快速区分正常宫颈细胞与癌变细胞的目的，奠定宫颈癌早期诊断临床应用光散射技术基础。

宫颈癌是世界卫生组织建议在全球范围内开展筛查的恶性肿瘤。常用宫颈癌筛查技术具有一定的局限性，比如液基细胞学技术需要具有丰富经验的临床病理医师进行细胞染色观测。研发新型宫颈癌早期检测技术具有重要的科研和社会意义。近年来发展的二维光散射技术可获取细胞内部信息，预期可用于无标记宫颈癌筛查。. “单细胞层次宫颈癌早期检测光散射技术研究”项目致力于研发细胞二维光散射快速模拟方法，获取宫颈细胞二维光散射图样试验结果，开展图样分析方面的研究。该项目预期从理论与实验方面更好的理解宫颈细胞二维光散射现象，为免标记宫颈癌早期检测提供技术基础。首先，我们开展了基于Mie理论的细胞二维光散射模拟研究，实现了激光激发下细胞复杂光散射的快速模拟，理论模拟结果与多酵母细胞聚合体以及宫颈细胞实验结果具有较好的一致性。其次，我们研发了二维光散射静态细胞仪技术，实现了亚微米尺度酵母细胞及标准微球的尺寸识别，发现宫颈细胞二维光散射图样中的散斑特征可用于区分正常宫颈细胞与宫颈癌细胞系HeLa细胞。此外，课题组还开展了二维光散射技术与微流控技术集成研究，实现了流式状态下标准微球与宫颈细胞二维光散射图样的获取。最后，我们探索了机器学习技术在二维光散射图样分析方面的应用，研发了模式识别细胞术，实现了正常宫颈细胞与宫颈癌细胞系HeLa细胞的高准确率无标记识别。. 总的说来，我们研发了可用于细胞无标记分析的二维光散射静态细胞仪技术以及模式识别细胞术技术，具备了对静态细胞的细致研究以及对流式细胞的高通量研究技术基础。课题组将机器学习技术与二维光散射技术有机融合，为无标记单细胞分析研究提供了新的途径。我们实现了宫颈细胞与宫颈癌细胞系HeLa细胞的无标记二维光散射区分识别，可为后续宫颈癌筛查仪器研发提供较好的研究基础。本项目相关技术预期亦可用于其他细胞的无标记分析。