循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）被認為是最有前景的液體活檢生物標志物之一，可用于在治療監(jiān)測和癌癥管理過程中獲得腫瘤演變的實時信息。然而，雖然循環(huán)腫瘤細胞具有巨大的應用潛力，但是其目前在臨床實踐中的應用主要局限于預后分層和監(jiān)測。從外周血細胞中高效地分離數(shù)量稀少的循環(huán)腫瘤細胞仍然是阻礙其在常規(guī)臨床實踐中廣泛應用的主要挑戰(zhàn)，因為這一挑戰(zhàn)限制了對循環(huán)腫瘤細胞的靈敏識別和表征分析。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決上述挑戰(zhàn)，來自土耳其微型生物系統(tǒng)公司（Mikro Biyosistemler A.S.）和中東技術大學（Middle East Technical University）等機構的研究人員提出了一種新穎的螺旋微流控通道設計。首先，該微流控通道的前端被設計為雙阿基米德螺旋形狀。其次，研究人員采用二維（2D）數(shù)值模擬設計了具有不對稱水翼形狀的連續(xù)流線型微柱的加寬出口。這種單入口、雙出口的微流控通道能夠?qū)崿F(xiàn)高通量（1500 μL/min）操作，而且無需在入口處使用鞘流，從而簡化了整體操作。相關研究成果近期以“Analytical Validation of a Spiral Microfluidic Chip with Hydrofoil-ShapedPillars for the Enrichment of Circulating Tumor Cells”為題發(fā)表在biosensors期刊上。

圖1 （a）出口部位有分離壁的典型阿基米德螺旋微流控通道；（b）出口部位加寬的螺旋微流控通道；（c）出口部位加寬并帶有水翼的螺旋微流控通道

圖2 帶有水翼的加寬出口部位的二維數(shù)值模擬分析

為了驗證這種螺旋微流控通道設計（5H-50）的有效性，研究人員利用5 mL加標了100個MCF-7細胞（人乳腺癌細胞）的健康血液樣本對其與兩種基準設計（第一種：出口部位無加寬通道和水翼結(jié)構的螺旋微流控通道設計（BARE）；第二種：出口部位有加寬通道但無水翼結(jié)構的螺旋微流控通道設計（BARE-W））進行了對比測試。

測試結(jié)果證明，在流速為1500 μL/min的情況下，基于5H-50設計的微流控芯片在MCF-7細胞回收率方面明顯更勝一籌（其回收率為67.9%；基于BARE設計的微流控芯片的MCF-7細胞回收率為23.6%；基于BARE-W設計的微流控芯片的MCF-7細胞回收率為56.7%），但其白細胞（WBC）耗盡率卻略低（其耗盡率為94.2%；基于BARE設計的微流控芯片的白細胞耗盡率為98.6%；基于BARE-W設計的微流控芯片的白細胞耗盡率為94.2%）。

圖3 利用微加工工藝制備的硅-玻璃基微流控芯片：（a）基于BARE設計的微流控芯片及其通道結(jié)構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（b）基于BARE-W設計的微流控芯片及其通道結(jié)構的SEM圖像；（c）基于5H-50設計的微流控芯片及其通道結(jié)構的SEM圖像

圖4 加標實驗中，基于5H-50、BARE-W和BARE設計的微流控芯片的白細胞損耗率和MCF-7細胞回收率

隨后，為了進一步驗證這種螺旋微流控通道設計（5H-50）的廣泛適用性，研究人員分別利用A549（肺癌細胞）、SKOV-3（卵巢癌細胞）和BT-474（乳腺癌細胞）細胞對該設計進行了進一步測試。測試結(jié)果顯示，基于5H-50設計的微流控芯片對3種細胞的回收率分別為62.3% ± 8.4%、71.0% ± 6.5%和82.9% ± 9.9%。該結(jié)果與各細胞的大小和變形性差異有關，即細胞的尺寸增大和變形性減小會對回收率產(chǎn)生正向影響。

圖5 基于5H-50設計的微流控芯片對健康血液樣本（5 mL）中加標的MCF-7（n = 8）、A549（n = 5）、SKOV-3（n = 7）和BT-474（n = 5）細胞的回收率

最后，研究人員對經(jīng)過該螺旋微流控芯片處理前后的細胞進行了分析，分析結(jié)果表明，細胞活性未受影響。此外，通過利用這種螺旋微流控芯片以及第二代測序技術（NGS）、免疫熒光和熒光原位雜交/RNA-原位雜交（FISH/RNA-ISH）技術，可以在單細胞水平上對循環(huán)腫瘤細胞的DNA、蛋白質(zhì)和基因表達水平進行快速、精確的表型表征。

展望未來，研究人員的下一步工作主要為利用乳腺癌和非小細胞肺癌患者的血液樣本對所設計的螺旋微流控芯片進行下一步的驗證研究。此外，研究人員還將致力于循環(huán)腫瘤細胞富集工作流程的自動化，以減少手動操作時間，并使其更好地適用于臨床實驗室中已開發(fā)的工作流程。隨著其以標準化方式識別循環(huán)腫瘤細胞上相關生物標記物的能力得到驗證，該工作流程有望通過生成臨床可操作數(shù)據(jù)，用于患者隨訪、治療指導和精準醫(yī)療，從而在揭示循環(huán)腫瘤細胞的臨床效用方面更進一步。

審核編輯：劉清