微纳电子学系王玮教授课题组在超大体积通量液态活检领域取得系列重要进展

    液态活检已经成为癌症精准医疗的关键技术。目前液态活检方法主要以血液中循环肿瘤细胞(Circulating tumor cell, CTC)及其衍生生物靶标为检测目标;而其它体液(如肺泡灌洗液)中原发灶指向性更强的脱落肿瘤细胞(Exfoliated tumor cell, ETC)也和肿瘤进展具有紧密相关性,是液态活检的重要对象之一, 对癌症精准医疗具有更高的应用价值。目前已报道的液态活检技术体积通量低,无法应用于大体积体液中脱落肿瘤细胞的快速检出;而对于最有望获得高体积通量液态活检方法的微孔滤膜技术,目前已报道的微孔滤膜的孔−孔间距大、孔隙率低,可实现的体积通量也无法满足复杂临床体液样品的高体积通量液态活检的需求。

    针对上述超大体积通量液态活检方法的关键问题,北京大学微纳电子学系王玮教授课题组基于聚对二甲苯微机电系统(Parylene C MEMS)工艺开发了一种具有高孔隙率(最高可达91.37%)、大面积(大于20 mm×20 mm)的2.5维柔性微孔滤膜。整张滤膜的大面积和小厚度(~10 μm)体现二维特点,而孔−孔间距处的大厚/宽比(10 μm/<4 μm)使局部呈现三维特点;滤膜整体呈现2.5维特点。实验证明,此2.5维柔性微孔滤膜在无需额外压力、完全重力驱动下,实现了超高体积通量:水性样品>117 mL/min,未稀释全血>17 mL/min(文献报道最高记录为2 mL/min)。相关研究于2018年6月以“2.5-Dimensional Parylene C micropore array with a large area and a high porosity for high-throughput particle and cell separation”为题在Nature出版集团期刊Microsystems & Nanoengineering(2018, 4(1), 13)上发表,期刊编辑在编者按中列为重点介绍,并指出“Experiments proved the new array structure could selectively trap particles ranging from microbeads to cancer cells with throughputs hundreds of times faster than conventional filtering devices”(实验表明该新阵列结构能够以数百倍于传统过滤装置的速度、选择性地俘获微颗粒或肿瘤细胞),文章共同第一作者为微纳电子学系博士后刘姚萍和18级硕士研究生徐涵,通讯作者为微纳电子学系王玮教授和北京大学第一医院李海潮教授(主任医师)。同时,于2018年11月以“Microfabrication of micropore array for cell separation and cell assay”为题在Micromachines (2018, 9(12), 620)上发表该柔性微孔滤膜制备工艺文章,收录于特辑“Microfluidics for Cell Assay”。第一作者为微纳电子学系博士后刘姚萍,通讯作者为王玮教授。

    课题组基于实验验证了该超高通量液态活检技术在大体积样品中俘获痕量细胞的优异性能:高回收效率(优于1/10 mL,比传统离心方式高3个数量级)、高细胞活性(细胞过滤后可原位培养);并进行了临床样品验证,建立了针对全血、肺泡灌洗液等实际临床样品的快速液态活检方法。相关成果于2019年1月以“A high-throughput liquid biopsy for rapid rare cell separation from large-volume samples”为题在微纳米技术领域顶级期刊Lab on a Chip上作为封面文章发表,并收录在该期刊主题特辑“Personalized Medicine: Liquid Biopsy”;被编辑评价为“Significance of applications: Very high (top 10%)”(应用价值非常高,前10%)。文章第一作者为微纳电子学系博士后刘姚萍,通讯作者为微纳电子学系王玮教授、大连医科大学附属第二医院王琪教授(主任医师)和北京大学第一医院李海潮教授(主任医师)。

    2019年1月,课题组基于2.5维柔性微孔滤膜实现了针对黑素瘤Mohs手术切缘灌洗液的快速高通量液态活检方法。该方法可实现从2 mL Mohs手术切缘灌洗液中快速、高回收率、高选择性地回收目标肿瘤细胞,将手术切缘监测的病理检查时间缩短至5小时(传统临床病理检查耗时3−5天),极大地降低了病人开放性手术创口术后感染的风险。相关成果以“Rapid liquid biopsy for Mohs surgery: rare target cell separation from surgical margin lavage fluid with a high recovery rate and selectivity”为题于再次在Lab on a Chip上作为封面文章发表(DOI: 10.1039/C8LC01335G)。文章共同第一作者为微纳电子学系17级硕士研究生周文博、博士后刘姚萍和北京大学第一医院冉梦龙博士,通讯作者为微纳电子学系王玮教授、北京大学第一医院李航教授(主任医师)、李海潮教授(主任医师)。

    课题组在2.5维柔性微孔滤膜方向申请发明专利2项,实用新型专利1项,先后获得2018年第46届日内瓦国际发明展特别嘉许金奖(获奖比例7/113)、2018先进体外诊断行业峰会项目路演最佳创新能力奖、 第5届微米纳米技术创新与产业化科研成果转化学生大赛一等奖、北大医院首届转化医学大赛一等奖以及IEEE ICSICT’2016最佳学生报告奖等奖励。

    目前课题组正与多家医院的呼吸内科、皮肤科、泌尿外科、重症监护科、检验科等多个科室合作,开展所开发的2.5维柔性微孔滤膜技术在多种肿瘤诊断、预后监测以及真菌血症等临床重症诊断中的应用。该2.5维柔性微孔滤膜还被美国麻省理工学院、波士顿大学、圣母大学、加州大学戴维斯分校,以及清华大学、上海交通大学、复旦大学、中国科学院青岛生物能源与过程研究所和苏州创澜生物科技有限公司等多家知名大学研究团队与公司应用于多种细胞/微生物分离的研究和应用中,受到广泛好评,展现出优异的应用潜力。

    上述研究工作得到了北京市自然科学基金委、北京大学临床医院合作专项(985 Ⅲ期)和北京大学“医学信息”种子基金(201420162018)的资助。