CN105062866A - 用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块及其使用方法。所述模块包括微流控芯片、血液样本储液池、PBS样本储液池、废液储液池、富集回收液出口、微流控芯片与血液样本储液池的连接导管、微流控芯片与PBS样本储液池的连接导管、微流控芯片与废液储液池的连接导管以及微流控芯片与富集回收液出口的连接导管。本发明还包括该模块的使用方法。本发明所述微流控芯片采用双入口和双出口结构，其去除红细胞的效率可达到100%，临床血液样本无需稀释或裂解红细胞的前处理过程，可以节省大量的分离操作时间，有效保障分离富集后循环肿瘤细胞的活性。
Description
技术领域
本发明属于肿瘤检测技术领域，特别是涉及用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块及其使用方法。
背景技术
循环肿瘤细胞（CTCs）是从肿瘤原发病灶或转移病灶进入外周血的肿瘤细胞，检测循环肿瘤细胞对癌症防治有重要意义，可有效地应用于体外早期诊断、化疗药物的快速评估、个体化治疗等。对于肿瘤的常规检测手段来讲，例如影像学，肿瘤在小于一公分的情况下，很难确认其为异常。通过国内外研究可以看到，很多肿瘤在2-4毫米的情况下已经有肿瘤细胞进入血液循环，从这个角度讲，它对于早期诊断来讲有不可低估的意义。血清肿瘤标志物检测法的优点是可为影像学诊断提供参考数据、费用低廉和适用于大众筛查，缺点是没有高度特异性的标志物，常出现假阳性和假阴性结果；组织病理学检测的优点是利于确诊，缺点是有创性检查、不能用于检测和对于转移的信息不完全。相比以上传统方法，循环肿瘤细胞检测法的优点是非浸入性、敏感性高、好的转移指标、化疗和放疗效果的快速评估、预后评估、检测复发、费用低和适用于大众筛查，因此循环肿瘤细胞检测法在临床肿瘤防治领域具有广阔的应用前景。经美国FDA认证的易莫尼康（Immunicon）公司通过多年的科研，在几百个病人身上做了大量的科学研究，最终得出结论，在治疗后通过检测循环肿瘤细胞的个数，可以明确的确定病人其预后情况。
目前，只有美国Immunicon公司研发的CellSearchTM系统成为一个标准实验方案，于2004年被美国食品药品管理局（FDA）准入临床应用。这是一项汇集了免疫磁性分选技术和免疫细胞化学法的分选检测技术，通过在磁珠上固定EpCAM抗体而特异性地识别、结合靶细胞，在外加磁场的作用下完成肿瘤细胞的筛选。但该方法的缺点是操作复杂，需要多步完成，对于有些处于间叶期的循环肿瘤细胞，其EpCAM表面抗原表达非常低甚至不表达，因此该方法很难检测到这一类循环肿瘤细胞的存在。
确定性侧向位移（DLD）是指在微柱阵列中超过临界半径的大体积物质碰撞后发生侧向位移向一侧汇聚，小体积物质按照其原流向流过阵列的现象。基于CTCs细胞尺寸(12～30μm)与血细胞尺寸(5～15μm)差异的物理特性,可设计制作分选富集临界半径介于CTCs与血细胞间的DLD阵列微流控芯片。杜晶辉等人（杜晶辉，刘宗彬，张望等.快速分选富集循环肿瘤细胞的微流控芯片.中国卫生检验杂志,2013年06期.）建立三角形微柱确定性侧向位移阵列微流控芯片,芯片由一个流道进口、中央富集流道出口、两侧非富集流道出口及镜像对称的三角形微柱陈列构成，三角形微柱DLD阵列微流控芯片可实现2ml/min、95%高回收率对外周血肿瘤细胞分选。由于该研究采用单入口芯片，难以实现高回收率，而且血液是需要进行十倍体积稀释的，分离时间会大大延长；稀释的血液通入到芯片后，红细胞和白细胞是均匀分布在整个芯片中的，所以红细胞从富集液收集口出来的比例与血液的稀释比例是一样的，最后得到的收集液里面红细胞的浓度是和血液稀释的浓度相同。富集液中含有红细胞对观察会造成很大的影响，影响循环肿瘤细胞的纯度，进而对循环肿瘤细胞进行分析研究造成不利影响。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块及其使用方法，能够实现对外周血中的循环肿瘤细胞进行快速、精确、高活性的分离富集。
本发明采用如下的技术方案：用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块，包括微流控芯片、血液样本储液池、PBS（磷酸盐缓冲液）样本储液池、废液储液池、富集回收液出口、微流控芯片与血液样本储液池的连接导管、微流控芯片与PBS样本储液池的连接导管、微流控芯片与废液储液池的连接导管以及微流控芯片与富集回收液出口的连接导管；
所述微流控芯片基于确定性侧向位移阵列原理的设计。
优选地，所述微流控芯片的宽度为3-5mm，长度为5-7cm；微流控芯片的临界半径为6.5-8.5μm。
优选地，所述微流控芯片的宽度为4mm，长度为6cm。
优选地，所述微流控芯片包括一供血液流通的管道和多个结构单元，所述管道的中线与流体方向平行，所述结构单元是截面形状为正三角形的微柱，所述微柱以所述管道的中线为中心轴呈角度对称排列。
优选地，所述三角形微柱的三角形有一条边与流体的方向垂直。
优选地，微流控芯片流道高度为30-100μm；正三角形的边长为20-40μm。
优选地，微流控芯片流道高度为75μm；正三角形的边长为30μm。
优选地，所述微柱分为多行，同一行相邻微柱的间距在x轴的投影为30-50μm，相邻两行微柱的间距在y轴的投影为45-70μm，其中x轴与所述管道的中线平行。
优选地，同一行相邻微柱的间距在x轴的投影为40μm，相邻两行微柱的间距在y轴的投影为58μm。
优选地，所述微柱阵列的倾斜角为1-5度。
优选地，所述微柱阵列的倾斜角为3.1度。
优选地，所述微流控芯片采用双入口结构，分别是血液样本入口和PBS缓冲液入口。
血液和PBS缓冲液分别从血液样本入口和PBS缓冲液入口进入微流控芯片，流入微流控芯片区域相遇后会形成三股流体区域，两侧为血液流体区域，中间为PBS缓冲液流体区域，形成这种现象的原因是因为流体在层流的状态下流体之间不会发生混合，所以只有大于微流控芯片临界尺寸的细胞才会从血液流体区域流入PBS缓冲液流体区域，而红细胞是一种偏平状的细胞，不管是直径还是宽度都比临界尺寸要小，所以只会在红细胞流经区域，因此，本发明的一次性分离芯片模块去除红细胞的效率可达到100%。
优选地，所述微流控芯片采用双出口液体收集结构，分别是中间流道口和芯片两侧连接后的出口，分离得到的富集液从中间流道的富集回收液出口流出，废液则从芯片两侧连接后的废液口流出。
一次性分离芯片模块使用的材料为COC塑料，其中基板是由两层COC薄板组成，采用注塑成型的加工方法得到一块带有联通管道和与外界连接出口的COC薄板，然后与另一块表面平整的COC薄板经热键合方式封接成型，基板内部是有管道联通各个储液池与微流控芯片接口连接。
本发明的使用方法如下：
（1）将待测血样和PBS缓冲液分别加入血液样本储液池和PBS样本储液池，富集回收液出口放置1.5ml无菌离心管接收富集回收液；
（2）将一次性分离芯片模块放入分离仪的模块嵌入口，气压控制接口分别与血液样本储液池和PBS样本储液池对接密封；
（3）开启仪器，微流控芯片开始处理血液，根据细胞直径的大小实现循环肿瘤细胞的富集分离，富集分离液从富集分离出口流出并接入1.5ml无菌离心管中，分离后的废液会储存在废液储液池中。
优选地，采用气压进样控制血液样本和PBS缓冲液通入微流控芯片的方式，入口压力为1000-2000mbars。
将H1299细胞加入到磷酸盐缓冲溶液或者正常人血液中模拟癌症病人的血液，检测结果显示：约100%的H1299细胞被富集分离，分离后的H1299细胞浓度较分离前提高了50倍，检测速度达到2毫升每分钟。
本发明的有益效果是：采用双入口流体设计的微流控芯片，相比只有血液入口的微流控芯片，具有更清晰的分离效果，双入口的微流控芯片在去除红细胞的效率上达到100%，而单入口的微流控芯片最多只能达到90%，而且双入口的微流控芯片不会对目标细胞的回收产生任何影响。
采用正三角形的阵列结构与一般文献所采用的圆形结构相比，其临界分离尺寸更加精确，在设计的临界尺寸之上的细胞可以实现95%以上的回收；微流控芯片采用三角形微柱结构，三角形微柱有一条边是与水平方向垂直的。经过流体模拟计算的结果得出，垂直方向的三角形阵列可以形成一个比较对称的流速场，而正三角形一条边与水平方向平行的阵列则会形成一个非对称的流速场。所以，采用垂直方向的三角形阵列会优于水平方向的三角形阵列，在设计的临界尺寸之上的细胞可以实现98%以上的回收。
采用一次性分离芯片模块，所带来的好处是使用方便、快捷、简单，处理不同临床血液样本时只要更换一次性分离芯片模块即可，做到零交叉污染。
该套仪器系统处理临床血液样本的速度可以达到毫升每分钟级别，并且临床血液样本无需稀释或裂解红细胞的前处理过程，可以节省大量的分离操作时间，有效保障分离富集后循环肿瘤细胞的活性。
本发明采用一次性分离芯片模块化操作，便捷性为临床医学的应用提供可能。本发明的一次性分离芯片模块使用的材料为COC塑料，极大的降低了芯片制作成本，这样可以大大降低外周血循环肿瘤细胞的检测费用，为推广到正常人的体检项目奠定成本基础。
附图说明
图1为本发明的仪器整体结构图；
图2为本发明的一次性分离芯片模块；
图3为本发明的微流控芯片内部结构图；
图4为本发明双入口微流控芯片的实际工作情况；
图5为微流控芯片内部三角形微柱的方向；
图6为三角形微柱方向对流体分流的模拟结果；
图7为利用本发明微流控芯片对添加到正常血液的H1299细胞富集回收液出口的回收情况；
图8为利用本发明微流控芯片对添加到正常血液的H1299细胞废液口的回收情况；
图9为本发明微流控芯片中微柱间距在x轴和y轴上的投影。
附图标记：
1-一次性分离芯片模块；2-气压控制装置系统；
11-微流控芯片；12-血液样本储液池；
13-PBS样本储液池；14-废液储液池；
15-富集回收液出口；111-血液样本入口；
112-PBS缓冲液入口；113-废液口;
Q-流体方向。
具体实施方式
实施例1
如图1-4所示，本发明的用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片系统，包括一次性分离芯片模块1和气压控制装置系统2。如图2-3所示，所述一次性分离芯片模块1包括微流控芯片11、血液样本储液池12、PBS样本储液池13、废液储液池14、富集回收液出口15、微流控芯片11与血液样本储液池12的连接导管、微流控芯片11与PBS样本储液池13的连接导管、微流控芯片11与废液储液池14的连接导管以及微流控芯片11与富集回收液出口15的连接导管。一次性分离芯片模块的材料为COC，其中基板是由两层COC薄板组成，采用注塑成型的加工方法得到一块带有联通管道和与外界连接出口的COC薄板，然后与另一块表面平整的COC薄板经热键合方式封接成型，基板内部是有管道联通各个储液池与微流控芯片接口连接。其中血液样本储液池12和PBS样本储液池13与如图1所示的气压控制装置系统密封连接，实现稳定的进样压力。
所述微流控芯片包括一供血液流通的管道和多个结构单元，所述管道的中线与流体方向平行，所述结构单元是截面形状为正三角形的微柱，所述微柱以所述管道的中线为中心轴呈角度对称排列。
所述微流控芯片为双入口结构，分别是血液样本入口111和PBS缓冲液入口112。经过微流控芯片11后的废液和富集回收液分别从废液口113和富集回收口15流出，其中富集回收液的出口采用单独接口将富集回收液接到使用者的容器内。
如图4，血液和PBS缓冲液分别从血液样本入口111和PBS缓冲液入口112进入微流控芯片，流入微流控芯片区域相遇后会形成三股流体区域，两侧为血液流体区域，中间为PBS缓冲液流体区域，形成这种现象的原因是因为流体在层流的状态下流体之间不会发生混合，所以只有大于微流控芯片临界尺寸的细胞才会从血液流体区域流入PBS缓冲液流体区域，而红细胞是一种扁平状的细胞，不管是直径还是宽度都比临界尺寸要小，所以只会在红细胞流经区域，因此，本发明的一次性分离芯片模块去除红细胞的效率可达到100%。
所述微流控芯片的宽度为3mm，长度为5cm；所述微流控芯片的临界半径为6.5-8.5μm；微流控芯片流道高度为30μm；正三角形的边长为20μm；如图9所示，所述微柱分为多行，同一行相邻微柱的间距在x轴的投影为30μm，相邻两行微柱的间距在y轴的投影为45μm，其中x轴与所述管道的中线平行；所述微柱阵列的倾斜角为1度。
实施例2
用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块，其中，微流控芯片11包括一供血液流通的管道和多个结构单元，所述管道的中线与流体方向平行，所述结构单元是截面形状为正三角形的微柱，所述微柱以所述管道的中线为中心轴呈角度对称排列。
微流控芯片使用材料为COC，采用注塑成型的加工方式得到带有阵列微柱的流道层，通过热封接法与另一块平整表面的COC基板实现不可逆结合。
所述微流控芯片的宽度为4mm，长度为6cm；所述微流控芯片的临界半径为6.5-8.5μm；微流控芯片流道高度为75μm；正三角形的边长为30μm；所述微柱分为多行，同一行相邻微柱的间距在x轴的投影为40μm，相邻两行微柱的间距在y轴的投影为58μm，其中x轴与所述管道的中线平行；所述微柱阵列的倾斜角为3.1度。
实施例3
用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块，其中，微流控芯片11包括一供血液流通的管道和多个结构单元，所述管道的中线与流体方向平行，所述结构单元是截面形状为正三角形的微柱，所述微柱以所述管道的中线为中心轴呈角度对称排列。
所述微流控芯片的宽度为5mm，长度为7cm；所述微流控芯片的临界半径为6.5-8.5μm；微流控芯片流道高度为100μm；正三角形的边长为40μm；所述微柱分为多行，同一行相邻微柱的间距在x轴的投影为50μm，相邻两行微柱的间距在y轴的投影为70μm，其中x轴与所述管道的中线平行；所述微柱阵列的倾斜角为5度。
实施例4
如图5所示，Q为流体方向，本发明的三角形微柱的三角形有一条边与流体的方向垂直（如图5b），而对比例采取的三角形有一条边与流体方向平行（如图5a）。
如图6所示，经过流体模拟计算的结果得出，本发明的三角形的一条边与流体方向垂直的三角形阵列可以形成一个比较对称的流速场（图6a），而三角形的一条边与流体方向平行的三角形阵列则会形成一个非对称的流速场（图6b），因此，采用三角形的一条边与流体流动方向垂直的三角形阵列会优于水平方向的三角形阵列。
实施例5
本发明的使用方法如下：
（1）将待测血样和PBS缓冲液分别加入血液样本储液池12和PBS样本储液池13，在富集回收液出口15放置1.5ml无菌离心管接收富集回收液；
（2）将一次性分离芯片模块1放入分离仪的模块嵌入口，气压控制接口分别与血液样本储液池12和PBS样本储液池13对接密封；
（3）开启仪器，微流控芯片11开始处理血液，根据细胞直径的大小就可以实现循环肿瘤细胞的富集分离，富集分离液从富集分离出口15流出并接入1.5ml无菌离心管中，分离后的废液会储存在废液储液池15中。
其中，采用气压进样控制血液样本和PBS缓冲液通入微流控芯片的方式，入口压力为1000-2000mbars。
如图7所示；图中白色代表荧光染色后的H1299细胞，通过实验，将H1299细胞加入到磷酸盐缓冲溶液或者正常人血液中模拟癌症病人的血液，图8为废液口的回收情况，基本观察不到H1299细胞；检测结果显示：98%的H1299细胞被富集分离，分离后的H1299细胞浓度较分离前提高了50倍以上，检测速度为2毫升每分钟。
以上对本发明实施例所提供的用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块及其使用方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.用于外周血循环肿瘤细胞的一次性分离芯片模块，其特征在于，包括微流控芯片、血液样本储液池、PBS样本储液池、废液储液池、富集回收液出口、微流控芯片与血液样本储液池的连接导管、微流控芯片与PBS样本储液池的连接导管、微流控芯片与废液储液池的连接导管以及微流控芯片与富集回收液出口的连接导管。
2.根据权利要求1所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述微流控芯片的宽度为3-5mm，长度为5-7cm；微流控芯片的临界半径为6.5-8.5μm。
3.根据权利要求1所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述微流控芯片包括一供血液流通的管道和多个结构单元，所述管道的中线与流体方向平行，所述结构单元是截面形状为正三角形的微柱，所述微柱以所述管道的中线为中心轴呈角度对称排列。
4.根据权利要求3所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述三角形微柱的三角形有一条边与流体的方向垂直。
5.根据权利要求3所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述微流控芯片流道高度为30-100μm；正三角形的边长为20-40μm。
6.根据权利要求3所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述微柱分为多行，同一行相邻微柱的间距在x轴的投影为30-50μm，相邻两行微柱的间距在y轴的投影为45-70μm，其中x轴与所述管道的中线平行。
7.根据权利要求3所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述微柱阵列的倾斜角为1-5度。
8.根据权利要求1所述的一次性分离芯片模块，其特征在于，所述微流控芯片采用双入口结构，分别是血液样本入口和PBS缓冲液入口；所述微流控芯片采用双出口液体收集结构，分别是中间流道口和芯片两侧连接后的出口，分离得到的富集液从中间流道的富集回收液出口流出，废液则从芯片两侧连接后的废液口流出。
9.权利要求1-8任一权利要求所述的一次性分离模块的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待测血样和PBS缓冲液分别加入血液样本储液池和PBS样本储液池，富集回收液出口放置1.5ml无菌离心管接收富集回收液；
（2）将一次性分离芯片模块放入分离仪的模块嵌入口，气压控制接口分别与血液样本储液池和PBS样本储液池对接密封；
（3）开启仪器，微流控芯片开始处理血液，根据细胞直径的大小实现循环肿瘤细胞的富集分离，富集分离液从富集分离出口流出并接入1.5ml无菌离心管中，分离后的废液会储存在废液储液池中。
10.根据权利要求9所述的一次性分离芯片模块的使用方法，其特征在于，采用气压进样控制血液样本和PBS缓冲液通入微流控芯片的方式，入口压力为1000-2000mbars。
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