本发明涉及微流控芯片的
技术领域：
：，具体地说是一种用于细胞捕获、荧光染色的微流控芯片。
背景技术：
：：微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样本制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程；其是生命科学、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。近年来，微流控芯片凭借其通道尺寸(10～100um)与单个细胞直径(10～20um)大小相近，便于对细胞进行操作，反应更迅速高效；微流控芯片形成的相对封闭环境，更接近生理状态下细胞的生存环境；微流控芯片与多个操作单元灵活组合，使得细胞进样、培养、捕获、裂解和分离检测等过程集于一块芯片即可完成，操作更加简便且无需专业技术；芯片为平板式几何构型，更方便进行观察等特性，使得微流控芯片在细胞生物学研究，如细胞捕获、筛分、富集、计数、培养等方面的应用越来越广(姚琳,白亮,吴亮其,等.微流控芯片技术在细胞生物学研究中的应用进展[J].中国细胞生物学学报,2011,33(11):1254-66.)。微流控芯片技术在细胞分离应用越来越广，基于不同细胞种群间固有特性见的差异，在微流控芯片中实现细胞的分离，诸如通过细胞的粒径尺寸间的差异实现对细胞的筛选分离，通过细胞表面的特异性抗体来特异性结合磁珠实现对细胞的正向富集或负向筛选；且微流控芯片技术在细胞操作、分离富集应用也展现出其独特的优势：试剂样本消耗少，反应迅速高效、节省时间，灵敏度、分辨率高，功能集成性强可适用于多种检测，可实现自动化操作避免人为操作间的差异性，相对封闭空间避免交叉性污染(BhagatAAS,BowH,HouHW,etal.Microfluidicsforcellseparation[J].Medical&biologicalengineering&computing,2010,48(10):999-1014.)。循环肿瘤细胞，(CirculatingTumorCell，简称CTC)，是指由原发肿瘤或继发肿瘤自发进入或诊断操作带入外周血的肿瘤细胞，具有高活力和转移潜能的CTC可以在循环系统中存活，并在合适的环境中增殖，导致肿瘤的复发和转移。CTC的活检分析可用以早期诊断、风险分级、疗效评估和肺癌复发的早期检查。但是外周血中的CTC含量极低，肿瘤转移患者每毫升全血中仅有1～10个CTC，因此对CTC细胞进行准确的捕获和计数具有重要的意义。近年来用于捕获CTC的方法有：利用外力场如磁场、电场、流体场等，并且基于细胞间的物理特性差异如大小、密度等对血液样本进行反向筛选，去除大部分的白细胞，保证7.5ml的血液样本中含有<10,000个细胞。但是考虑到CTC种群的异质性，且富集捕获的血液样本中依然含有不少的白细胞，因此会采用免疫荧光染色对CTC鉴定、确认(HongB,ZuY.Detectingcirculatingtumorcells:currentchallengesandnewtrends[J].Theranostics,2013,3(6):377-394)。基于免疫荧光染色对富集捕获的血液样本进行肿瘤细胞特异性蛋白荧光标记，已成为常用的CTC检测手段(ZhengS,LinHK,LuB,etal.3Dmicrofilterdeviceforviablecirculatingtumorcell(CTC)enrichmentfromblood[J].Biomedicalmicrodevices,2011,13(1):203-213)。比如通过免疫荧光染色方法标记细胞角蛋白抗原(cytokeratin，CK)，来识别上皮循环肿瘤细胞，即CTC呈CK阳性、CD45阴性、DAPI阳性；而白细胞为CD45阳性、CK阴性、DAPI阳性(LinHK,ZhengS,WilliamsAJ,etal.Portablefilter-basedmicrodevicefordetectionandcharacterizationofcirculatingtumorcells[J].ClinicalCancerResearch,2010,16(20):5011-5018)。最后可直接进行荧光镜检扫描，对免疫荧光染色后的CTC进行分析和计数。其中，细胞免疫荧光技术是在免疫学、生物化学和显微镜技术的基础上建立起来的一项技术，其是基于抗原抗体反应的原理，将已知的抗原或抗体标记上荧光基团，再用这种荧光抗体(或抗原)作为探针检查细胞膜或胞内的相应抗原(或抗体)，利用荧光显微镜镜检观察荧光所在的细胞，从而对细胞进行定性或定量测定。按照样本特性，可分为两类：(1)用于荧光标记固定在玻片上的细胞，如细胞爬片或直接涂片，(2)细胞悬液免疫荧光分析，通过流式细胞仪进行检测分析。对富集捕获后的含有CTC的血液样本进行免疫荧光染色处理，根据细胞物理状态可分为：细胞固定在玻片后进行荧光染色即固定染色，和直接在细胞悬液中进行荧光染色即液体染色。无论是那种染色方法，细胞荧光染色一般包括如下步骤：PFA或乙醇固定、细胞透膜、细胞封闭、一抗孵育、避光环境下二抗孵育、染核及每步操作之间的PBS反复清洗等(WellerP,NelI,HassenkampP,etal.Detectionofcirculatingtumorcellsubpopulationsinpatientswithheadandnecksquamouscellcarcinoma(HNSCC)[J].PloSone,2014,9(12):e113706)。然而，在玻片上进行固体染色一般需要在多聚赖氨酸包被的载体表面进行操作，对操作人员的实验技能有一定的要求。并且由于以上每步操作之间都需要对玻片进行反复的清洗处理，容易造成玻片上细胞的丢失，另外处理过程中玻片上的细胞暴露于空气中，也容易造成污染。而液体染色需要通过流式细胞仪进行检测，成本较高，而且至少需要10次以上的离心操作，不仅耗费了较长的时间和人力，并且在弃去上清的过程中也容易造成细胞的损失。综上所述，现有的细胞捕获、染色方法存在以下问题：样本经过细胞捕获后，需要人工操作进行细胞染色，不仅操作步骤繁琐，而且需要操作人员具有较强的实验技能，人工操作带来的误差较大，影响测定结果的准确性。并且对于微流控芯片捕获目标细胞来说，由于捕获目标细胞较大，流道容易堵塞造成目标细胞破裂，或者细胞逃逸，造成捕获效率低。技术实现要素：本发明的主要目的是针对现有技术存在的不足提供一种用于细胞捕获、荧光染色的微流控芯片，以实现目标细胞的富集、捕获和染色一体化、自动化，减小人为干扰，并且捕获效率高。本发明是通过如下技术方案实现的：一种用于细胞捕获、荧光染色的微流控芯片，所述微流控芯片包括基底和设于基底上的细胞流道，所述基底上设有样本进口和废液出口，所述细胞流道的一端为细胞入口，细胞流道的另一端为细胞出口，所述细胞入口与样本进口相连，所述细胞出口与废液出口相连；所述细胞入口处还连接有染色液通道，所述染色液通道的另一端设有染色液入口；所述细胞流道由若干并排布置的微通道依次首尾相连而成；所述微通道内设有细胞捕获装置。优选的，所述细胞捕获装置为沿微通道头部至尾部方向设置的微柱排，所述微柱排由若干呈线型分布的微柱组成，相邻的微柱间留有狭缝，每个微柱的靠近细胞入口一侧端面的直径不大于靠近细胞出口一侧端面的直径。所述细胞捕获装置也可以为阵列微柱或者梯形微柱等其他微流控芯片中用于捕获细胞的装置。更进一步的，也可以在微柱表面包被抗体，从而增大捕获效率。优选的，所述微柱的截面为凸字形。优选的，所述微柱排沿微通道的头部至尾部方向，一端与微通道头部相接，另一端与微通道尾部之间留有开口。优选的，所述微柱排沿微通道的头部至尾部方向，与细胞入口一侧的侧壁距离逐渐减小。在样本细胞的流经方向逐渐增大压力，可以迫使细胞通过细胞捕获装置的微柱，增加捕获效率。优选的，所述微流控芯片还包括设于基底上的加强捕获流道，所述加强捕获流道的两端分别设有加强捕获入口和加强捕获出口，所述加强捕获入口与所述细胞出口相连，所述加强捕获出口与废液出口相连；所述加强捕获流道内设有若干与细胞流道内微柱排同向的微柱排，所述微柱排一端与加强捕获流道相接，另一端与加强捕获流道相对一侧留有开口。所述加强捕获流道可以进一步的捕获样本内的目标细胞。优选的，所述微流控芯片还包括设于基底上的预筛选流道，所述预筛选流道的两端分别设有预筛选入口和预筛选出口，所述预筛选入口与样本进口相连，所述预筛选出口与细胞入口相连，所述预筛选流道内设有竖直于基底外的圆形或方形的预筛选微柱，所述预筛选微柱呈阵列分布。更优选的，相邻预筛选微柱的间距稍大于循环肿瘤细胞的粒径，从而可以使样本在经过预筛选流道后尽可能呈单细胞状态，过滤掉聚集成团的碎屑杂质或成团的细胞簇，避免造成后续流道的堵塞。优选的，所述微流控芯片还包括设于基底上的线型排布流道，所述线型排布流道的两端分别设有排布入口和排布出口，所述排布入口与样本进口相连，所述排布出口与细胞入口相连，所述线型排布流道为非对称型蛇形流道。所述细胞流经线型排布流道时，由于惯性的作用，细胞逐渐向流道的中部移动，从而保持在排布出口处的细胞在流道的中部呈线型分布。进一步的，所述基底为PDMS材料，所述细胞流道、预筛选流道、线型排布流道和加强捕获流道通过刻蚀于基底上。所述PDMS材料是指聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)。进一步的，所述微流控芯片还包括与基底相接的上盖，所述上盖在染色液入口、样本进口和废液出口处设有通孔。最优选的，本发明的微流控芯片依次包括预筛选流道、线型排布流道、细胞流道和加强捕获流道，所述样本进口与预筛选入口相连，预筛选出口与排布入口相连，排布出口与细胞入口相连，细胞出口与加强捕获入口相连，加强捕获出口与废液出口相连。该微流控芯片通过预筛选流道过滤掉碎屑和细胞团，通过线型排布流道使细胞为线型，然后通过细胞流道将细胞粒径较大的目标细胞捕获到相邻微柱间隔的狭缝中。进一步的，在同一微流控芯片中，可并行设置1、2或4个等独立的细胞流道，对不同的样本进行并行处理，增加工作效率。还可以通过搭建自动微流工作站，包括试剂仓、自动机械臂、多位切换阀、控制器等，通过预编程序实现自动化控制过程。本发明的有益效果为：(1)本发明提供了一种用于细胞捕获、荧光染色的微流控芯片，通过并排布置的微通道以及设置在微通道内的微柱排加长捕获距离，提高捕获效率。并且通过改变微柱排的倾斜方向，在样本细胞的流经方向逐渐增大压力，可以迫使细胞通过细胞捕获装置的微柱，进一步增加捕获效率。(2)本发明在目标细胞的捕获富集完成后，可以通过染色液入口输入染色液、缓冲液等对目标细胞进行荧光染色、细胞清洗、抗体孵育等操作，这些操作都在芯片内完成，避免了外界环境对细胞的污染，以及避免了在染色、清洗过程细胞的损失，尤其对于极其稀少的循环肿瘤细胞。(3)基于本发明微流控芯片的免疫荧光染色，由于细胞在染色过程中始终保持在溶液中，并且细胞流道可以达到微米级，因此可以大大增强细胞的染色效率，缩短反应时间。并且无需进行固体染色的清洗操作，液体染色的离心操作，降低细胞在操作过程中损伤的可能性，保护细胞的完整性。同时，染色过程仅需通过注射器或微量注射针或者微流注射泵完成染色液进样，可以降低昂贵试剂的使用量，节省成本。本发明的微流控芯片的捕获效率高，对细胞损伤小，并且可以实现目标细胞的富集、捕获和染色一体化，同时与微流注射泵等结合实现自动化，减小人为干扰，增加检测结果的灵敏性和可靠性，不仅可以用于含量稀少的循环肿瘤细胞的捕获和染色，也同样可以用于其他细胞的捕获和染色，例如白细胞等。本发明的微流控芯片无需复杂工艺，通过常规方法即可制备得到，成本低，具有很强的实用性。附图说明图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的预筛选流道结构示意图；图3为本发明的线型排布流道部分结构示意图；图4为本发明的细胞流道和加强捕获流道结构示意图；图5为本发明的微通道结构示意图。1-基底、2-样本进口、3-废液出口、4-预筛选流道、5-预筛选入口、6-预筛选出口、7-预筛选微柱、8-线型排布流道、9-排布入口、10-排布出口、11-细胞流道、12-细胞入口、13-细胞出口、14-微通道、15-微柱排、16-染色液通道、17-染色液入口、18-加强捕获流道、19-加强捕获入口、20-加强捕获出口、21-微柱、22-白细胞、23-循环肿瘤细胞(CTC)。具体实施方式以下结合附图以CTC的捕获和荧光染色为例，通过具体实施例来进一步说明本发明：下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。如图1所示，本发明的微流控芯片包括基底1和上盖(图中未画出)。基底1上依次包括预筛选流道4、线型排布流道8、细胞流道11和加强捕获流道18。基底1的一端设有样本进口2，另一端设有废液出口3。所述预筛选流道4的两端分别设有预筛选入口5和预筛选出口6，所述线型排布流道8的两端分别设有排布入口9和排布出口10，所述细胞流道11的两端分别设有细胞入口12和细胞出口13，所述加强捕获流道18的两端分别设有加强捕获入口19和加强捕获出口20。所述样本进口2与预筛选入口5相连，预筛选出口6与排布入口9相连，排布出口10与细胞入口12相连，细胞出口13与加强捕获入口19相连，加强捕获出口20与废液出口3相连。如图2所示，所述预筛选入口5与样本进口2相连，所述预筛选出口6通过线型排布流道8与细胞入口12相连。所述预筛选流道4内设有竖直于基底1外的圆形或方形的预筛选微柱7，所述预筛选微柱7呈阵列分布。更优选的，相邻预筛选微柱7间的间距为30～60μm，阵列大小为(20～50)×(50～200)。根据流场运动，相邻预筛选微柱7间距仅能通过1～3个细胞，细胞样本溶液在通过预筛选流道4的时候，阵列预筛选微柱7可将粘附在一起的细胞尽量打散呈现单细胞状，且过滤掉聚集成团的碎屑杂质或成团的细胞簇，避免造成后续流道的堵塞。如图3所示，所述排布入口9与预筛选出口6相连，所述排布出口10与细胞入口12相连，所述线型排布流道8为非对称型蛇形流道。线型排布流道8的宽度优选在50μm～200μm，可以使进口杂乱无章的细胞，在微流惯性力作用下，逐渐向线型排布流道8的中心区域移动，在排布出口10处样本呈单细胞、线型分布在流道的中心区域。如图4、5所示，所述细胞入口12与排布出口10相连，细胞出口13与加强捕获入口19相连。所述细胞入口12处还连接有染色液通道16，所述染色液通道16的另一端设有染色液入口17。所述细胞流道11由若干并排布置的微通道14依次首尾相连而成。所述微通道14内沿微通道14头部至尾部方向设置的微柱排15，所述微柱排15由若干呈线型分布的微柱21组成，相邻的微柱21间留有狭缝。每个微柱21靠近细胞入口12一侧端面的直径不大于靠近细胞出口13一侧端面的直径，例如为凸字形或梯形等，优选为凸字形。狭缝呈U型，用于捕获和固定目标细胞，狭缝的宽度可以根据需要捕获的目标细胞直径进行设置。所述微通道14的数量可以根据样本中细胞的个数进行调整和确定，例如如果样本中细胞较多，则可以较多的设置并排的微通道14，以及增加微柱排15中微柱21的数量等。本领域技术人员应该知晓的是，细胞的分离效率和微通道14及微柱21的数量在一定范围内呈正比关系，但微通道14及微柱21达到一定数量后，分离效率不再增加，反而会增大通道的流阻，对狭缝中的细胞造成损害。当细胞样本流经细胞流道11时，微柱排15两侧的压差会驱使细胞溶液由狭缝一侧向另一侧方向移动，粒径较大的目标细胞例如CTC则被捕获在狭缝处，而粒径较小的白细胞则可由狭缝处通过，从而实现对目标细胞例如CTC的捕获固定。更优选的，微柱排15沿微通道14的头部至尾部方向，一端与微通道14头部相接，另一端与微通道14尾部之间留有开口。细胞样本的溶液在微柱排15靠近细胞入口12一侧方向的流道上压力渐小，且压力大于另一侧的流道，即保证溶液在细胞流道11内不会发生液体回流。而且通过布置若干并排的微通道14保证相邻微通道14捕获的独立性，以及样本流向的规律性和可控性，防止细胞在细胞流道11内聚集成团。对于每个微通道14而言，微柱排15靠近细胞出口13一侧侧壁的距离优选为靠近细胞入口一侧侧壁距离的2～3倍，保证狭缝流过的溶液流量。更进一步优选的，微柱排15沿微通道14的头部至尾部方向，与细胞入口12一侧的侧壁距离逐渐减小。例如，微柱排15与细胞入口12一侧的侧壁距离由80μm渐窄至60μm、与细胞出口13一侧的侧壁距离由180μm渐宽至60μm，从而保证由样本溶液从微柱排15一侧流过与从微柱21之间流过的比例，进一步保证目标细胞捕获的连续性。如图4所示，所述细胞出口13与加强捕获入口19相连，加强捕获出口20与废液出口3相连，所述加强捕获流道18内设有若干与细胞流道11内微柱排同向的微柱排15，所述微柱排15一端与加强捕获流道相接，另一端与加强捕获流道15相对一侧留有开口。样本溶液在经过细胞流道11后，大部分的目标细胞如CTC被捕获固定，但也有可能存在小部分的目标细胞如CTC未从微柱21之间的狭缝通过，因此未被捕获固定，进入加强捕获流道18。由于加强捕获流道为设有微柱排15的整体腔体，减小了流动阻力，因此样本溶液在从加强捕获出口20流出前都需要穿过加强捕获流道内捕获狭缝，进一步提高了捕获效率。所述基底1可以为PDMS材料等微流控芯片常用材料制得，所述细胞流道11、预筛选流道4、线型排布流道8和加强捕获流道18及微柱排14等均可以通过刻蚀于基底1上，所述各通道的深度优选为30μm～100μm。基底1上方还设有与基底1相接的上盖，以保证整个芯片的密封性，上盖仅在染色液入口17、样本进口2和废液出口3处设有通孔，用于样本溶液、染色液等的流进和流出。在本发明的实施案例中，样本为经过裂解红细胞处理后或富集分离后的肿瘤患者细胞样本。一般而言，常规CTCs检测血量为7.5mL，1mL的血样中的CTCs含量大约在1～10个。在经过CD45磁珠负向筛选去除白细胞后，细胞样本体积约为100μL，细胞个数小于10000个。对大多上皮癌种来讲，通常情况下CTCs的粒径(12～25μm，平均直径为15μm)大于白细胞的粒径(8～9μm)。通过微流注射泵，将细胞样本以5～40μL/min的流速由样本进口2通入本发明的微流控芯片。细胞样本依次流经预筛选流道4、线型排布流道8、细胞流道11和加强捕获流道18后，从废液出口3流出。然后以40～200μL/min的流速通入300μL～1mL的PBS缓冲溶液进行清洗后，CTCs捕获固定在微流控芯片细胞流道11中微柱排15的狭缝中，而白细胞则由废液出口3流出，实现对CTCs的富集与捕获固定。然后通过染色液入口17向染色液通道16中以10～50ul/s通入细胞固定液、透膜液、封闭液、一抗工作液、二抗工作液以及染色液等染色工作液并进行5～20min的避光孵育，并交替由样本进口2通入PBS缓冲液对所有流道进行清洗处理。实现对固定在狭缝中的CTCs的免疫荧光染色。最后将微流控芯片转至荧光显微镜进行荧光扫描镜检即可。也可以收集染色后的细胞，再进行单细胞分析等检测。本发明的微流控芯片的捕获效率高，对细胞损伤小，并且可以实现目标细胞的富集、捕获固定和染色一体化，同时与微流注射泵等结合实现自动化，减小人为干扰，增加检测结果的灵敏性和可靠性；且可通过对微柱间距及数量，可对含量较少的细胞样本，不限于CTC，还包括白细胞等，对细胞进行富集捕获。本发明的微流控芯片无需复杂工艺，通过常规方法即可制备得到，成本低，具有很强的实用性。以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3