利用慣性-磁微流控技術(shù)實現(xiàn)惡性腫瘤細胞的快速、高純度分離

大量血細胞和淋巴細胞的存在嚴重影響了惡性胸腹腔積液中惡性腫瘤細胞檢測的靈敏度。微流控技術(shù)能夠根據(jù)復(fù)雜細胞群體的物理和生化特性精確分離和富集靶細胞，具有成本低、操作簡單、精度高、并行處理能力強等優(yōu)點，為基礎(chǔ)生物學(xué)研究和臨床診斷提供了重要的工具。然而，由于惡性胸腹腔積液大體積的處理需求以及白細胞和惡性腫瘤細胞之間存在尺寸重疊問題，目前已報道的主動或被動的微流控技術(shù)無法保證在高通量樣品處理過程中兼顧腫瘤細胞分離的回收率和純度。

近期，東南大學(xué)項楠教授課題組報道了一種集成梯形螺旋芯片和免疫磁性芯片的慣性-磁性細胞分離（IMCS）裝置，用于從惡性胸腹腔積液中惡性腫瘤細胞的高通量、高回收率和高純度分離，相關(guān)成果以“Inertia-magnetic microfluidics for rapid and high-purity separation of malignant tumor cells”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Sensors and Actuators: B. Chemical上。文章第一作者為倪陳博士，通訊作者為項楠教授。

該團隊設(shè)計的IMCS裝置集成了梯形螺旋芯片和免疫磁性芯片，完美地將被動微流控技術(shù)的高通量優(yōu)勢和主動微流控技術(shù)的高精度優(yōu)勢進行有機結(jié)合，同步提升了惡性腫瘤細胞分離的回收率和純度。具體而言（見圖1），該團隊首先對臨床樣本進行預(yù)處理，裂解樣本中的紅細胞并對白細胞進行磁珠標記；隨后不同尺寸的細胞在設(shè)計的梯形螺旋芯片中受到剪切梯度和壁效應(yīng)引起的慣性升力和二次流引起的Dean阻力的聯(lián)合作用下，被分別聚焦至不同的平衡位置，從而實現(xiàn)對尺寸小于10 μm白細胞的快速去除；最后大尺寸白細胞在免疫磁性芯片中磁場作用下逐漸被推離原本的平衡位置，從而實現(xiàn)與尺寸相近腫瘤細胞的進一步高效分離。針對梯形螺旋芯片和免疫磁性芯片可實現(xiàn)細胞分離的不同流速條件，該團隊在表征兩個芯片最佳流速范圍后，通過設(shè)計添加流阻芯片來實現(xiàn)兩個分選芯片的高性能集成。

圖1 IMCS裝置的工作流程的示意圖，該裝置用于從大體積惡性胸腹腔積液中惡性腫瘤細胞的高通量、高回收率和高純度分離

基于穩(wěn)定運行的IMCS裝置，該團隊分別對A549、MCF-7和MDA-MB-231細胞進行了與白細胞混合后的分離測試（見圖2）。研究表明，不同種類的腫瘤細胞均可實現(xiàn)與白細胞的高效分離，該裝置可以在3.2 mL/min的處理通量下快速實現(xiàn)對腫瘤細胞高回收率（> 90%）和高純度（> 70%）的分離。最后，該團隊將開發(fā)的IMCS裝置運用于臨床惡性胸腹腔積液中稀有惡性腫瘤細胞的富集和純化（見圖3），實現(xiàn)了對惡性腫瘤細胞平均純度高達70.52%的有效分離，純化后的樣品可直接用于惡性腫瘤細胞的體外培養(yǎng)、藥敏試驗、基因測序等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。臨床實驗證明了該裝置對促進癌癥診斷和藥物研究具有潛力。

圖2 （A）芯片出口處的細胞分布圖像；（B）收集液中明場和熒光顯微圖像；不同腫瘤細胞濃度的分選性能表征：（C）~ 10? cells/mL；（D）~ 103 cells/mL

圖3 惡性胸腹腔積液中惡性腫瘤細胞高純度分選的臨床試驗結(jié)果

相比于使用單一技術(shù)的傳統(tǒng)微流控裝置，該研究工作結(jié)合了基于尺寸的被動分離技術(shù)和基于免疫磁珠的主動技術(shù)的優(yōu)勢，可以在高通量條件下精確地從尺寸相似的白細胞中分離稀有惡性腫瘤細胞。該裝置有望提高大體積惡性胸腹腔積液中細胞學(xué)檢查的靈敏度和效率。

審核編輯：劉清