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稀有细胞群是指一类血液中含量稀少但具有重要研究价值和临床应用价值的细胞，包括干细胞、循环内皮细胞、循环肿瘤细胞和稀有免疫细胞等。因此，捕获和分析这些细胞至关重要。 微流控芯片是一种精确控制和操控微尺度流体的技术平台，也被称为“芯片上的实验室”。基于微流控芯片精确分离和分析血液样本中稀有细胞的技术对液体活检和个性化治疗具有重要的价值。 近日，络绎科学邀请到了中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称为“深圳先进院”）医工所仿生触觉与智能传感研究中心研究员、博士生导师陈艳博士围绕微流控芯片对稀有细胞的捕获和分析进行了主题分享。在“驾驭流体的力量，稀有细胞在芯片中的精准操控和分析”报告中，陈艳探讨了微流控芯片技术创新如何突破液体活检技术瓶颈，并详细介绍了课题组在稀有细胞分析上的新进展。 陈艳本科毕业于清华大学，在美国加州理工学院获得生物工程博士学位，现在也是国家高性能医疗器械创新中心创新研究院双聘研究员。她课题组的研究方向是开发基于微流控技术的生化分析及液体活检诊断仪器，包括微流控生化分析芯片、微流控光学传感器件、医学检验与快速诊断芯片以及微纳制造工艺研究。  ▲图|陈艳博士（来源：受访者提供） “通过流体力学分析，我们对芯片中的微结构与细胞粒子的运动规律进行了深入研究，从而构建了一套新型微流控分析装置，实现捕获或者富集血液中的稀有细胞。这套微流控芯片平台样本处理通量高、操作简单，在效率、纯度以及细胞活性方面性能都非常理想，极大助力了肿瘤早期诊断、伴随诊断和个性化治疗。”陈艳说。
可更精准无标记分选稀有细胞 循环肿瘤细胞是指从肿瘤病灶脱落并进入到外周血液循环的肿瘤细胞，这是重要的癌症液体活检标志物，也是癌症转移的种子。当前，循环肿瘤细胞是研究最为深入的一种稀有细胞，已被证实在肿瘤早期会进入到血液循环，具有早期诊断的潜力。 这种检测方式在肿瘤治疗疗效评价、预后评估、复发探测、耐药机制研究以及靶向药物研究等场景具有非常广阔的应用前景。不过，现有的细胞分离策略在操作简便性和临床实用性上还存在一些不足，一定程度上限制了对所捕获稀有细胞的分析。 陈艳指出，整体来看，稀有细胞的分离原理大致可以分为两类，一类是免疫亲和分离法，另一类是物理分离富集方法。前者利用细胞表面的特异性受体和抗体或核酸适配体进行免疫亲和反应所产生的差异来分离和富集稀有细胞；后者利用稀有细胞的物理特性，比如说尺寸大小、密度、变形性等等进行分析，通常被归类为无标记稀有细胞分离技术，包括确定性侧向位移（DLD）、惯性微流控和粘弹性微流控等。这类技术操作简单、可靠性强且分离的准确性高，具有极大优势。 其中，DLD 基于规律排布的重复性结构设计，被视为是一种非常有效分离方法。这是一种基于尺寸分离颗粒的方法，也是一种被动式的微流控分离技术。这种方式能够基于颗粒的大小、形状、可变形性等连续进行分离，具有比较高的分辨率。此前，陈艳团队已经基于 DLD 研究了各种芯片结构对颗粒运动的影响。  （来源：“驾驭流体的力量，稀有细胞在芯片中的精准操控和分析”报告） 与此同时，陈艳团队一直在探索基于微流控技术的创新型解决方案。基于对流体力学原理的深入研究，陈艳团队提出了一种“过滤式确定性侧向位移”（filter-DLD）的方法，研究团队通过微纳结构设计和有限元多物理场分析，构建了一种流体力学新结构，可实现细胞运动轨迹的精准操控。  （来源：Lab on a chip） 在 filter-DLD 结构设计中，该研究团队采用了带有L型过滤式结构，这一设计摆脱了确定性侧向位移固有的设计因素影响，有望提高分离效果。陈艳指出，这种创新的结构有两个十分独特的性能，首先，filter-DLD 相比于具有类似阵列参数的 DLD 结构，具有更小的临界分离尺寸。其次，filter-DLD 阵列中小细胞的去除率明显高于传统 DLD 阵列。 “与传统的 DLD 结构相比，我们开发的 filter-DLD 实现了精确和无标记的分选方法，可以进行更高通量和更高纯度的细胞分选，还降低了流速增加对细胞活性可能产生的不利因素。这是一种结合高过滤通量和高尺寸分离精度的分选方法，在稀有细胞的分离中展现了出色的性能。”陈艳总结道。  ▲图|fluidic dynamic simulation（来源：“驾驭流体的力量，稀有细胞在芯片中的精准操控和分析”报告）  可“一步式”分离全血，打造超低成本的液体活检平台 据陈艳介绍，研究团队将 filter-DLD 结构整合成了一种高度集成的级联式芯片。这一芯片集成了上百万个微柱阵列，可以实现“一步式”全血分离方法。同时通量比较高，达到了 1ml/min，芯片的捕获效率、红细胞和白细胞去除率很高。几乎可以完全去除红细胞，并去除超过 99.99% 的白细胞。 由于采用“样本进、结果出”的简易操作模式，并且不依赖于生化试剂，使用芯片分离稀有细胞十分便捷，有利于打造一种超低成本的液体活检平台。 值得一提的是，filter-DLD 芯片还使用了一种二级结构的设计方式。第一级结构是初筛，大量经过简单稀释的血液细胞在较高流速下根据细胞尺寸进行过滤筛选；第二级结构是分离模式，由于大量红细胞已被过滤，通过更精细的分离模式可准确分离出不同尺寸区间的细胞。由于每一级结构的细胞尺寸都不相同，因此，可以通过芯片精确分离出所需的稀有细胞。  （来源：“驾驭流体的力量，稀有细胞在芯片中的精准操控和分析”报告） 采用这种技术，研究团队制作了一台简易的细胞分选仪器，可以更便捷处理临床样本，还可以对分离出来的细胞进行信息提取。比如，通过免疫荧光染色，获取细胞表面表达的蛋白信息，并确认出不同细胞的种类。 “由于芯片的间隙比较大，芯片富集出来的细胞活性比较高，这非常有利于开展下游的分子生物学分析，助力肿瘤的精准分型和免疫治疗。”陈艳说。 另一方面，陈艳团队与深圳瑞格生物以及深圳市第二人民医院共同合作开展了临床试验，已经测试了包括肺癌、胃癌、肠癌、神经母细胞瘤、头颈肿瘤以及甲状腺癌等在内超过 2000 例的临床样本，并从肿瘤患者的血液中高效分离出循环肿瘤细胞。研究团队还发现了一类新型的循环肿瘤细胞亚群，这是一种免疫细胞和肿瘤细胞的融合细胞。 “观察治疗前后分离出来的细胞，也可以评估疾病进程以及治疗效果，并指导治疗方案。进一步讲，通过临床验证，这一类融合细胞有望成为肿瘤诊断的新型生物标志物，与临床上其他分子生物学分析一起在肿瘤的伴随诊断中发挥作用。”陈艳补充道。 参考资料： 1.https://pubs./en/content/articlelanding/2021/lc/d1lc00360g
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