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用于恶性胸腔积液中肿瘤细胞高通量筛选的多路惯性微流控器件

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


液体活检,顾名思义,就是检测血液中循环的生物标志物来表征和分析肿瘤的技术,它是一种微创且可重复的检测方法,可用于替代传统的组织活检,具有重要的临床应用前景。除了血液以外,胸腔积液、腹腔积液、尿液等人体体液同样也可携带肿瘤信息,已经发展成为液体活检样本来源的重要补充。近日,中澳学者合作研制了一种超高通量惯性微流控器件,实现了从恶性胸腔积液中筛选富集恶性肿瘤细胞。这一成果近期发表在Sensors and Actuators B: Chemical 上,文章的共同第一作者是东南大学硕士生任慧和博士生朱志贤,东南大学项楠教授、澳大利亚昆士兰微纳米技术中心主任阮南忠(Nguyen Nam-Trung)教授和张俊博士为文章的共同通讯作者。


恶性胸腔积液是晚期癌症患者的常见并发症,或作为在肿瘤治疗后复发的症状出现。起因是由于恶性肿瘤胸腔转移所致,常发生于肺癌、乳腺癌、卵巢癌及淋巴瘤等。恶性胸腔积液的产生往往提示患者预后不良,且严重影响患者生活质量。确定恶性胸腔积液诊断的“金标准”是在积液细胞沉淀中找到肿瘤细胞,传统做法是通过行胸腔穿刺术进行细胞学分析。然而,由于胸腔积液中存在的大量血细胞和淋巴细胞,干扰了肿瘤细胞的检测和识别。此外,积液中获得的肿瘤细胞数量非常稀少,特别是对于药物治疗后的患者。这些因素都降低了细胞学诊断恶性积液的准确性。因此,从大量胸膜液和背景血细胞中高效分离提纯目标肿瘤细胞,可以有效提高细胞学检测的精度。

在本项工作中,东南大学的项楠教授和澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的张俊博士共同主导开发了一种具有多路蛇形微通道的聚合物薄膜惯性微流控器件,实现了从大量恶性胸腔积液(50 mL)中超高通量(9.6-28.8 mL/min)、非标记和高效率(>80%)的肿瘤细胞分离。惯性分离原理是利用蛇形微通道中基于颗粒尺寸的差异化聚焦机制,将稀有肿瘤细胞从血细胞中分离富集出来。通过平面和垂直方向上的平行阵列来开发多路器件,将器件的处理通量显著提高,以满足大容量胸腔积液样本的处理需求。该多路器件具有结构简单、吞吐量高、效率高、成本低等优点,有望成为适用于临床的可抛弃式检测工具。


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Multiplexed serpentine microchannels for high-throughput sorting of disseminated tumor cells from malignant pleural effusion

Hui Ren, Zhixian Zhu, Nan Xiang, Hao Wang, Tingting Zheng, Hongjie An, Nam-Trung Nguyen, Jun Zhang

Sens Actuators B Chem., 2021337, 129758, DOI: 10.1016/j.snb.2021.129758


项楠博士简介


项楠,副教授/博导,江苏省优青,江苏省优博,东南大学首批“至善青年学者”(A层次),江苏省“六大人才高峰”高层次人才,2017年破格晋升副教授。已在Lab on a Chip(IF=6.774)、Analytical Chemistry (IF=6.785)等国际期刊发表SCI论文69篇。其中,第一作者和通讯作者论文50篇(JCR Q1/Q2区45篇, IF>5的16篇),包括封面论文和研究亮点论文8篇,英国物理学会Top Cited Paper Award论文1篇,南京市自然科学优秀学术论文一等奖获奖论文1篇;发表于Nanotechnology的封面论文被英国物理学会做长达三页纸的大篇幅专题报道。研究工作被他引600余次,其中被来自哈佛大学、麻省理工学院、加州大学洛杉矶分校等高校的知名学者作为重要研究进展进行图片引用40余次。受邀为斯普林格出版的英文专业书籍《Handbook of Single Cell Technologies》撰写“惯性微流控单细胞分析技术”章节。在微流控权威期刊Lab on a Chip撰写发表“Channel innovations for inertial microfluidics”的惯性微流控领域最新综述。主持国家自然科学面上/青年基金、江苏省优青等科研或人才项目7项,以排名第二参研国家自然科学重大科研仪器研制项目等国家级科研项目4项。系列研究成果共计申请发明专利52项,其中已授权26项,申请PCT国际专利3项。受邀担任国际微流体学术会议及ASME会议的分会场主席或子专题组织者,担任30余个国际学术期刊的审稿人。所负责的微流控课题组一直从事新型微型化医疗仪器、微机电系统产品及软体仿生机器人的设计与制造,及其所涉及精密加工、微操控和精准检测基础科学问题的研究。派遣研究生前往哈佛大学等知名高校联合培养或深造,毕业博士生就职于江苏各大高校,硕士生就职于华为、迈瑞、大众、飞利浦、14所等企业或研究所。


张俊博士简介


张俊博士,德国洪堡基金(Humboldt Research Fellowship, 2019)和澳大利亚“发现早期职业生涯研究员奖”(ARC DECRA, 2020)获得者。2009年获得南京理工大学工学学士学位,获优秀毕业生奖;2015年在澳大利亚伍伦贡大学获得工学博士学位。他在Lab on a Chip, Analytical Chemistry, Nano Letter, Sensors and Actuators B: Chemical等发表学术期刊论文59篇,引用共2100+,H-index 23 (Google Scholar)。其中,封面论文共6篇,Web of Science ESI 高被引论文2篇(前1%)。现为SCI学术期刊Micro & Nano letters副编辑。其研究领域为微纳米技术,包括微流控细胞分选和操控,惯性微流控,粘弹性微流控,介电电泳,磁泳,多物理场耦合微流控操控。课题组长期招收博士生,优秀者提供全额奖学金。更多信息参考学术网址:https://sites.google.com/view/drjunzhang/curriculum-vitae?authuser=0 


阮南忠(Nguyen Nam-Trung)教授简介

阮南忠(Nguyen Nam-Trung)教授,澳大利亚Griffith University 昆士兰微纳米技术中心主任。分别于1993年和1997年在德国开姆尼茨工业大学获得学士和博士学位。美国机械工程师学会(ASME)会士和电气电子工程师学会(IEEE)高级学员。研究领域包括神经性毒剂探测器、聚合酶链式反应(PCR)、微混合器、液珠式微流体(Droplet-Based Microfluidics)、微磁流控(Micro Magnetofluidics)、液体弹珠(Liquid Marbles)以及微弹性流控(Micro Elastofluidics)。阮在国际期刊上发表了470多篇文章,9本专著,24篇专著章节,引用共超过24000多次,H-index 为76。2020年版的《澳大利亚人研究特别报告》推选阮为澳大利亚分析化学研究领域的领导者,也是化学和材料科学领域排名前17位的学者之一。他在微流控和微/纳米技术领域期刊担任重要学术职务,包括主编(Micromachines),副主编(Microfluidics and Nanofluidics,Biomedical Microdevices,Journal of Sensors and Sensor Systems,Journal of Science: Advanced Materials and Devices, Technologies,以及顾问委员会成员(Lab on a Chip)。学术网址为: https://ntnlab.com/people/chief-investigator/ 


科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:这项研究的目的是为了开发一款具有超高通量的惯性微流控器件,以实现从恶性胸腔积液中分离出稀有肿瘤细胞,并去除大量背景血细胞的干扰,提高诊断的敏感度和准确度。基于张俊博士课题组的前期研究基础,提供了一款具有蛇形结构的微通道,该结构可以实现不同尺寸的生物粒子的差异化聚焦,它的优势在于无需生物标记,且细胞活性几乎不受影响,适用于获取细胞后进行后续生物应用。此外,蛇形流道的线性结构使其在平面和垂直方向上都具有良好的平行性。借助于项楠教授课题组的聚合物薄膜激光加工方法,很好地实现了从单核芯片到多层叠加的8核乃至24核芯片集成,且该器件比传统的PDMS软光刻技术具有更高的成本效益。基于上述优势的结合,使得我们能够开发出满足恶性胸腔积液高通量、高效率处理的可抛弃式多核器件势在必行。


Q:在研究过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:大多数恶性胸腔积液患者胸部X线检查均能观察到中等量至大量胸水,一般为500-2000ml。这意味着我们的样品量是充足的,但同时对于我们的器件处理通量的考验也是巨大的。已报道的惯性微流控器件的处理通量通常在几百微升至两、三千微升左右,如何实现多核流道的稳定集成,将处理通量提升至接近10mL/min甚至30mL/min的水平,在加工精度和制作工艺上我们做了很多的努力。此外,将该集成器件成功测试了癌症病人的临床胸腔积液,对于机械出身的我们来说也是一次新奇尝试。临床样品相较于实验室用的标准微球和细胞株来说,带来了更多不确定的因素,为了保证稳定的、满意的分选效果,不断地调整重复实验也是必不可少的。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:这项工作的出发点就是面向临床上恶性胸腔积液中的肿瘤细胞的分选与检测,为此我们从芯片结构、加工工艺等方面都做出了相应匹配。该芯片已成功检测了5例病人的恶性胸腔积液,且均检测出肿瘤细胞(49-4806个/mL)。我们认为该器件可以很好地满足恶性胸腔积液高通量、高效率、低成本的处理需求。从恶性胸腔积液中获取的肿瘤细胞,可以用于为病人比配最佳治疗药物;监视肿瘤细胞数量,可用于预测疾病进展。我们相信这项研究成果有助于推动惯性微流控芯片从实验室到临床的发展。


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