利用级联粘弹性微流控技术，从未稀释血液中分选多种循环肿瘤细胞
2025-04-04 10:45:49 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文提出了一种新型级联粘弹性微流控器件（CVEM），能够从未稀释的血液中同时分选A549和MCF-7两种CTC，然后细胞被横向驱动，分别基于流体惯性、弹性和粘度引起的惯性升力、弹性力和粘性阻力分离。
癌症转移仍然是全球癌症相关死亡率的主要原因。根据世界卫生组织进行的一项研究，如果癌症患者在癌症转移之前接受治疗，至少30%的死亡是可以预防的，而这与循环肿瘤细胞（CTC）的转移传播有关。CTC被公认为是一种很有前景的生物标志物，可以提供许多潜在的应用，包括非侵入性癌症诊断、疾病分期以及治疗方案选择等。然而，由于血管微通道中复杂的流动行为和高丰度的血细胞，从未稀释的血液中高通量地精确分离CTC仍然是一项巨大的挑战。此外，由于肿瘤转移，一名癌症患者可能存在多种类型的CTC。因此，开发一种能够从未稀释血液中高效分离多种类型CTC的新平台，有望充分发挥CTC液体活检的临床应用价值，为进一步研究肿瘤转移提供潜在机遇。
目前CTC分选技术可分为三种类型：主动式、被动式和混合式。主动式方法的分选功能由外部力量提供，通常可以对细胞进行准确、按需控制，并实现器件的多功能性。然而，主动式系统的配置和并行化通常既复杂又昂贵。相比之下，依靠内部流体动力的被动式技术可以实现CTC分选，并且具有高通量、低成本制造和易于集成等优点。然而，在分选CTC之前，被动式技术通常需要裂解红细胞（RBC），然后将血液稀释数十倍。这极大地限制了处理吞吐量，并增加了操作复杂性，还可能导致污染。此外，被动式方法还面临细胞阻塞和高剪切应力等问题，这些问题显著影响了细胞的纯度、完整性和活力。混合式系统串联了多个子模块或将主动式元件嵌入原始器件中，以试图解决上述问题。然而，由于子模块之间的耦合约束，分选性能不会得到显著改善，并且嵌入主动式元件往往使制造过程更加复杂而昂贵。此外，目前可用的混合式方法通常只能分选一种特定类型的CTC，无法同时分选多种类型的CTC。
据麦姆斯咨询报道，上海交通大学的研究人员近期在Biosensors & Bioelectronics上发表了一篇题为“Direct isolation of multiple types of circulating tumor cells from undiluted human blood using cascaded viscoelastic microfluidics”的创新成果。该研究提出了一种新型级联粘弹性微流控器件（CVEM），能够从未稀释的血液中同时分选A549和MCF-7两种CTC，然后细胞被横向驱动，分别基于流体惯性、弹性和粘度引起的惯性升力、弹性力和粘性阻力分离。为了准确研究细胞的运动模式并揭示分离机理，研究人员提出了一种颗粒轨迹预测模型，并通过聚苯乙烯（PS）颗粒分离实验进行了验证。CVEM作为一种高效、免标记的技术，在探索癌症转移机制和耐药性的应用中显示出巨大的潜力。此外，颗粒轨迹预测模型可以为粘弹性微流控器件（VEM）的优化提供理论基础，并根据不同的分离要求进行快速迭代设计。从而将VEM扩展到其它应用领域。
级联粘弹性微流控器件（CVEM）原理示意图
上图展示了CVEM的构建以及分离A549和MCF-7的过程。CVEM主要由两个按顺序排列的模块组成：血细胞耗竭模块（BCDM）和CTC分离模块（CIM）。每个模块包含一个直通道段和一个放大通道段，用于将细胞推进到不同的横向平衡位置，并放大分离差异。
颗粒在直通道段的运动模式
总结来说，在这项工作中，研究人员开发了一种新的基于粘弹性的微流控平台CVEM，能够根据细胞大小差异，无标记、高通量地从未稀释血液中准确分离A549和MCF-7。血液样本和鞘液之间的界面充当屏障，可以可靠地排斥通道两侧的小型血细胞。因此，与传统IMF相比，CVEM中的BCDM可以更有效地抵抗由于引入额外控制而导致的高浓度血细胞干扰。在特定的流速和MCF-7浓度下，A549和PEO的分离纯度（>80%）和回收率（>80%）较高，无需任何复杂的仪表和耗时的操作。CVEM的尺寸比惯性螺旋结构等主流微流控芯片更小，这使得并行设计更有利于进一步提高样品处理吞吐量。
利用级联粘弹性微流控器件（CVEM）进行分离实验
为了灵活地将粘弹性微流控器件技术扩展到其它应用中，以分选不同的目标颗粒，例如其它类型的CTC、外泌体、细菌和DNA分子，研究人员提出了一种能够描述细胞运动模式的颗粒轨迹预测模型，揭示了颗粒的分离机理。尽管分析模型难以描述放大段中较大颗粒运动轨迹的轻微放大效应，导致理论分析结果与实际情况之间存在一定误差。通过余量设计仍然可以实现理想的分离结果。理论模型可以作为向量机设计和优化的基础，替代传统的基于实验经验的策略，显著减少不必要的资金和时间投入。未来，生物颗粒分离技术将朝着更高通量、更高分辨率和更高灵活性发展。由于其能够处理未稀释的人体血液，并有效分离纳米颗粒，粘弹性微流控器件已成为最有前景的分离方法之一。这项研究成果为未来粘弹性微流控芯片的开发提供了有价值的见解和理论指导。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117359
延伸阅读：
上一篇：利用两步消耗微流控方法，从血液中有效分离稀有细胞
下一篇：最后一页