成果速览|基于微滤-单细胞弹射分选技术的肿瘤早筛研究入选IEEE MEMS 2023国际顶级会议

第36届IEEE International MicroElectro Mechanical Systems Conference (IEEE MEMS 2023)将于1月15-19日在德国慕尼黑召开。IEEE MEMS是微纳系统领域最具影响的国际会议，从1987年以来至今已举办36届，长期以来以创新性高、中选率低著称，是微机电系统(MEMS)领域的顶尖会议。

近日，由中科院长春光机所李备研究员团队与北京大学王玮教授团队合作，在MEMS上发表了题为"PICKING SINGLE CELLS FROM 10 ML SAMPLE BASED ON A MICROFILTRATION- LIFT COMBINATION PLATFORM"的文章，文章旨在基于微滤-LIFT组合平台从 10 mL 样品中分离单细胞。

循环肿瘤细胞（CTC）是外周血中丰度极低的稀有细胞，并且显示出广泛的分子异质性。迄今为止，已经提出了许多CTC分离方法，如梯度离心法，过滤，微流控技术和标记免疫亲和技术，它们已实现了细胞捕获。然而，由于非特异性捕获的白细胞（WBC）引入的污染，CTC相关研究在CTC的定量表征阶段相对停滞。众所周知，仅仅计数CTC并不能反映肿瘤生物学的异质性。

为了揭示CTC的异质性，迫切需要开发一种单个CTC分离方法，以更好地了解单个CTC在分子生物学水平中的作用。目前，单CTC拾取的工作原理包括手动显微操作，激光捕获显微切割（LCM），机械细胞选择器和激光诱导前向转移（LIFT）。不幸的是，广泛使用的手动显微拾取细胞的效率很低，这极大地影响了其实际应用。据报道，由于切割面积大，LCM和机械单元拾取器倾向于每次拾取收集多个细胞。相比之下，激光诱导前向转移（LIFT）技术可以在高分辨率下自动拾取单个细胞。因此，LIFT是从预处理样品中挑选单CTC的一种很有前途的方法。

图1：微滤-激光诱导前向转移（微滤-LIFT）组合平台的示意图（a-d）：（a）双层微孔阵列器件封装，（b-c）基于尺寸的细胞分离和富集，（d）单细胞的识别和拾取。L1 至 L4，镜片; HP，半波片; PBS，偏振分束器;M1到 M3，镜子; DM，二向色镜; EF，发射滤光片; MO1至MO2，显微镜物镜。上部（e-f）和下部（g-h）滤膜的照片和SEM图像

在这项研究中，我们开发了一种新型的微滤-激光诱导前向转移（微滤-LIFT）组合平台，该平台允许从大体积样品（超过 10 mL）中高通量分离和自动拾取单个 CTC。微滤-LIFT平台将双层微孔阵列滤膜与荧光识别LIFT系统耦合。除了计数之外，该平台的初步性能表明，在重力下，微孔阵列过滤器可以快速分离和浓缩目标细胞，并使用LIFT技术在几秒钟内以单细胞分辨率精确拾取。微滤-LIFT平台为高效的单CTC拾取提供了独特的途径，为CTC的生物学特性分析奠定了基础。

该研究中应用长光辰英核心产品—PRECI SCS单细胞分选仪

PRECI SCS单细胞分选仪

成果与讨论

通过 COMSOL 仿真分析，以评估单细胞拾取过程中对细胞的损伤（图2a）。激光作用金属膜温度约为2700°C（图2b），而距离金属层0.6μm的液体在100 ns内低于27°C（图2b）。脉冲激光器的传输时间（6 ns）远小于100 ns。整个流体域的温度变化如图2c所示，表明LIFT操作对目标细胞是安全的。

图 2：细胞分选过程的有限元分析。分拣过程中的温度场模型（a）和分拣过程中不同位置的温度场随时间变化（b）。激光烧蚀金属膜的最高温度小于2700°C，而距离金属层0.6 μm的液体在100 ns内保持在27°C以下。（c）

整个流体域在不同时间的温度变化。超过0.6um的激光烧蚀金属膜的液体域温度低于27°C。

下图显示了微滤-LIFT平台用于单细胞拾取的整个过程。过滤后，将接触的双层微孔阵列过滤器连接到LIFT系统的透明载玻片上（见图3（a）和（j））。通过荧光染色法鉴定靶细胞，如图3（b-c）、（f-g）和（k-l）所示。然后目标单细胞瞬间以350 nJ从微滤装置转移（参见图3（m））。图3（n）显示成功拾取目标细胞，并在载玻片正下方的细胞接收器上找到细胞（见图3（o-p））。接触的双层微孔阵列过滤器能够在30 s内使用LIFT系统拾取单个细胞，而单层微孔阵列过滤器只能在6分钟内移动细胞。

图 3：用于单细胞拾取的微孔 LIFT平台的动态过程。（a-i）基于单层微孔阵列过滤器的单细胞拾取：目标细胞拾取失败，细胞在开始时没有移动（a-e），而细胞在一段时间后产生小位移（f-i），由于液层随着时间的推移而减少。（j-p）基于接触双层微孔阵列过滤器的单细胞拾取：由于上部微孔阵列可以切割捕获细胞的液体层，因此实现了目标细胞拾取。拾取的单个细胞由细胞接收器（o-p）接收。细胞用细胞追踪器绿色和Hoechst预染。