[发明专利]一种适用于循环肿瘤细胞捕获的微流控芯片

说明书

本发明涉及一种能用于捕获目标颗粒(如循环肿瘤细胞CTC)的微流控芯片，该芯片包括汇聚分流单元，所述汇聚分流单元能够将液体样本(如血液、灌流液等)中的目标颗粒汇聚在液流中心，同时将一定比例的不含目标颗粒的液流分走，进而对输入芯片的液流进行有效的降流降速，从而更有利于液流中目标颗粒的捕获；当芯片用于目标颗粒的捕获时，还包括捕获单元，并通过所述捕获单元实现对目标颗粒的捕捉。本发明的芯片能够在待测样本流速和流量均很高的情况下，有效富集目标颗粒并降低整体流量和流速，当芯片中进一步包含捕获单元时，即可灵敏而特异的捕捉目标颗粒(特别是CTC)，非常适合于大规模的临床应用。

技术领域

本发明属于液体活检领域和肿瘤物理治疗领域，特别涉及一种能够用于捕获肿瘤细胞(特别如CTC)的微流控芯片。

背景技术

血液中含有数目庞大的红细胞(大约5×10⁹个/mL量级)和白细胞(约8×10⁶个/mL量级)以及各种蛋白质，因此具有较强的颗粒性以及较高的动力粘滞系数。近年来的研究表明，癌症患者特别是癌症病灶发生转移的患者中，存在着一定数量的循环肿瘤细胞(Circulating Tumor Cells，CTCs)，而成功的捕获分离这些循环肿瘤细胞，对于癌症的早期检测、诊断和治疗具有不可估量的价值，但是由于其数量极低(约为0至几十个细胞/mL)，因此从血液中高效而特异的分离获得循环肿瘤细胞存在很大的技术难度。

目前，基于捕获CTC的原理的不同，可将CTC的分离方法分成三类，即：基于抗原抗体的捕获、基于物理性质的捕获和综合两种方法的捕获。

基于抗原抗体的捕获

肿瘤细胞表面会表达一些肿瘤特异性抗原，如EpCAM，CEA和HER2等。将识别肿瘤特异性抗原的抗体通过化学键连接或通过其他包被的方式将其固定在磁珠或微流控芯片的表面，通过抗原抗体的结合从而捕获肿瘤细胞。

CellSearch是被目前唯一被FDA批准的用于商业分离CTC的平台，但是其检出率不高。后续各种方法采用相似的原理即抗原抗体特异性结合的原理和微流控芯片结合，极大地提高了检出率，例如HB-chip采用不对称排列的人字形沟道，增加雷诺数。于是，向芯片中通入癌症患者的血液后，就能形成湍流，从而增加细胞与管壁的相互作用，提高了细胞与抗体结合的几率，检出率相比CellSearch方法有明显的提高；此外，CTC-chip则采用错列排布的圆柱表面包被EpCAM抗体以捕获CTC。

基于抗原抗体捕获CTC的优点是显而易见的，由于抗体对抗原识别的高特异性，因此捕获到的细胞纯度很高，几乎接近100％。但是这种方法也存在不少缺点，例如：(1)抗原的特异性以及抗原抗体的亲和力限制了捕获效率，因为目前采用的分子标记物主要是EpCAM，但是CTC中有很多细胞经历了EMT，低表达EpCAM的这部分细胞会漏检，造成对CTC数量的低估；(2)成本较高；(3)由于抗原抗体需要充分的识别和结合，一般流速较慢，处理时间较长，影响了血液性质和CTC状态。上述缺点的存在制约了其大规模的临床应用。

基于物理性质的捕获

研究表明，肿瘤细胞和正常细胞在物理性质上存在着一定差异，主要体现在细胞大小，变形能力和密度等特性方面。因此利用上述物理性质的差异，即可对CTC进行分离捕获。现有技术中，基于物理性质的捕获常常会涉及到螺旋形结构，由于微通道中特征尺寸和流速都很小，所以雷诺数一般小于1，通常忽略其惯性作用，但在压力驱动下可以达到很高的流速0.1-1m/s，雷诺数达到10-100，这时惯性效应开始体现，螺旋形结构则正是利用了上述特性。在这样的芯片中，将稀释的血液利用压力推入弯曲的通道，在侧向力和迪恩力的作用下，细胞会在横截面达到特定的平衡位置，由于细胞的平衡位置与细胞尺寸有关，而CTC的尺寸和血细胞尺寸差别较大，这样它们就会处于通道中不同的平衡位置进而实现分离。除此之外，有很多其他基于物理性质的分离方法，例如利用合适的间隙，基于CTC和血细胞大小及变形能力的差异进行分离。