2017年國家自然科學(xué)基金委資助項(xiàng)目公布，南科大獲資助項(xiàng)目共91項(xiàng)，資助率達(dá)到38.24%，高出全國平均數(shù)17.15個(gè)百分點(diǎn)。這是南科大成立短短幾年來，科研工作取得累累碩果的又一精彩印記。以“創(chuàng)知、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”為特色的南科大，一直在努力創(chuàng)造國際一流學(xué)術(shù)成果并推動(dòng)科技應(yīng)用，為國家建設(shè)和社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)智慧和力量。

為了讓社會(huì)更好了解學(xué)校最新的科研成果，向科研人員提供開展交叉合作的動(dòng)態(tài)信息，給學(xué)子們帶來選擇研究領(lǐng)域的有益引導(dǎo)，我們推出“聚焦南科大之前沿科技”系列報(bào)道，希望跟大家分享交流學(xué)校部分教授團(tuán)隊(duì)的研究工作和進(jìn)展，敬請(qǐng)垂注。

2017年5月10日，國家科技部發(fā)布《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》，加快推進(jìn)生物技術(shù)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！兑?guī)劃》提到，要重視發(fā)展蛋白質(zhì)測(cè)序技術(shù)、新型質(zhì)譜和微流控芯片技術(shù)；發(fā)展單細(xì)胞分離、基因組擴(kuò)增、轉(zhuǎn)錄組擴(kuò)增和單細(xì)胞基因組分析技術(shù)等一些列生物技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。微流控芯片技術(shù)應(yīng)用廣泛，未來，推動(dòng)該領(lǐng)域的研究將具有重要的意義。

南科大材料科學(xué)與工程系教授程鑫帶領(lǐng)的課題組在微納加工技術(shù)及其在納米壓印、半導(dǎo)體工藝與器件、納米光學(xué)等多種應(yīng)用領(lǐng)域具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，近年來，在微流控芯片領(lǐng)域開展了大量創(chuàng)新性研究工作，并取得了一系列成果。

多種單元技術(shù)在微小平臺(tái)上靈活組合規(guī)模集成

微流控芯片實(shí)驗(yàn)室示意圖

微流控芯片技術(shù)（Lab on a chip）是一種以分析化學(xué)和生物技術(shù)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，以生化分析為應(yīng)用對(duì)象的全新技術(shù)。其目標(biāo)是把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的采樣、稀釋、進(jìn)樣、反應(yīng)、分離、檢測(cè)，細(xì)胞培養(yǎng)、分選、內(nèi)涵物檢測(cè)等基本操作單元集成到很小的芯片上，實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的功能。

由于微流控芯片可將多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合和規(guī)模集成，它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析，并且可以在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程，從而可以實(shí)現(xiàn)高程度的集成化和自動(dòng)化，進(jìn)而減少污染、降低干擾和人為誤差。有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應(yīng)速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點(diǎn)的微流控芯片，在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著的巨大潛力，近年來已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

高通量單細(xì)胞“捕捉配對(duì)”為精準(zhǔn)細(xì)胞融合提供平臺(tái)

用于單細(xì)胞捕捉及配對(duì)的微流控芯片示意圖

程鑫教授的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)建立了實(shí)現(xiàn)高通量的細(xì)胞捕捉和配對(duì)的介電電泳(Dielectrophoresis, DEP)微流控芯片平臺(tái)，DEP芯片系統(tǒng)可以根據(jù)不同的功能需求進(jìn)行“定制化”的設(shè)計(jì)以及利用微加工的方式進(jìn)行制備。在單細(xì)胞捕捉和配對(duì)的操控中，DEP芯片通過改變施加電壓的頻率等條件, 能夠控制細(xì)胞受正介電電泳力作用向高電場(chǎng)或者受負(fù)介電電泳力作用向低電場(chǎng)運(yùn)動(dòng), 從而將群細(xì)胞分離并將不同種類的單細(xì)胞配對(duì)到微腔陣列中，實(shí)現(xiàn)高通量單細(xì)胞的捕捉和配對(duì)。芯片的制備結(jié)合了光刻，刻蝕，磁控濺射，3D打印等多種制備方法，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)80%以上的單細(xì)胞捕捉效率和70%以上的細(xì)胞配對(duì)效率。

這項(xiàng)單細(xì)胞捕捉技術(shù)可以有效應(yīng)用于多種單細(xì)胞生物學(xué)行為的研究中。例如，在對(duì)細(xì)胞代謝的研究中，通過高通量DEP芯片有效分離捕捉單細(xì)胞后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞鈣離子濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一定的刺激后，一些細(xì)胞表現(xiàn)出鈣離子濃度隨時(shí)間反復(fù)的升高或降低這一獨(dú)特的響應(yīng)模式，這對(duì)于疾病的診斷和治療具有十分重要的意義。又如，在單細(xì)胞測(cè)序領(lǐng)域，一個(gè)細(xì)胞里的DNA或者RNA僅僅處在皮克級(jí)的水平，這么少的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)有測(cè)序儀的最低上樣需求。因此科學(xué)家們必須先對(duì)單細(xì)胞內(nèi)的微量核酸分子進(jìn)行擴(kuò)增，以便開展后續(xù)的測(cè)序及其他研究。利用高通量DEP芯片將細(xì)胞分離到獨(dú)立的微腔內(nèi)，在微腔內(nèi)直接進(jìn)行PCR擴(kuò)增，從而可以實(shí)現(xiàn)高通量的單細(xì)胞測(cè)序，期望能夠?yàn)槿藗兘沂靖鄰?fù)雜生物學(xué)體系重要線索。

這種高通量DEP微流控芯片不僅可以實(shí)現(xiàn)高效率的單細(xì)胞捕捉，而且可以有效實(shí)現(xiàn)高通量的單細(xì)胞配對(duì)的操控，在細(xì)胞融合和細(xì)胞間相互作用領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。以細(xì)胞融合為例，細(xì)胞融合也被稱為細(xì)胞雜交，是通過誘導(dǎo)和培養(yǎng)等方法，使兩個(gè)或兩個(gè)以上的同源或異源細(xì)胞在離體條件下形成雜合細(xì)胞的過程。目前已經(jīng)成為現(xiàn)代生物工程技術(shù)研究中的一項(xiàng)重要手段。細(xì)胞融合技術(shù)在遺傳學(xué)、免疫醫(yī)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、藥物或基因傳輸、雜交育種等研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

因此，精準(zhǔn)的單細(xì)胞捕獲和配對(duì)是開展細(xì)胞融合研究的前提，需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建行之有效的單細(xì)胞配對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前這種高通量DEP微流控芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在3000多個(gè)微腔陣列的芯片上高達(dá)70%以上的配對(duì)效率，為精準(zhǔn)細(xì)胞融合提供了良好的平臺(tái)。

對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行有效分選和計(jì)數(shù)

用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）分選-計(jì)數(shù)的微流控芯片示意圖

當(dāng)前全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢(shì)待發(fā)，合成生物技術(shù)展現(xiàn)出巨大潛力，個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)改變傳統(tǒng)的疾病診療模式并推動(dòng)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)變革。

循環(huán)腫瘤細(xì)胞（circulating tumor cells ，CTCs）是從形成的腫瘤實(shí)體上脫落，進(jìn)入人體外周循環(huán)血的各類腫瘤細(xì)胞的統(tǒng)稱，是腫瘤開始轉(zhuǎn)移的標(biāo)志，也一直是癌癥治療的一大挑戰(zhàn)。

雖然近年來科學(xué)家們開發(fā)了各種致力于使人體擺脫原發(fā)性腫瘤的技術(shù)，但是如何防治腫瘤轉(zhuǎn)移依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。及時(shí)定位和捕獲循環(huán)腫瘤細(xì)胞，對(duì)于癌癥早期診斷、預(yù)后分析、個(gè)性化醫(yī)療、腫瘤單細(xì)胞測(cè)序等研究方向具有重要的意義。

基于這個(gè)目標(biāo)，程鑫課題組還開發(fā)了一種用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞篩選-分離-計(jì)數(shù)的微流控芯片平臺(tái)。循環(huán)腫瘤細(xì)胞在血液中的含量極為稀少，血液中血細(xì)胞與循環(huán)腫瘤細(xì)胞的濃度之比大于106，而癌癥患者每毫升血液中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）的個(gè)數(shù)在10個(gè)以下，如何有效地分離與富集循環(huán)腫瘤細(xì)胞是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

程鑫課題組開發(fā)的這種微流控芯片平臺(tái)采用濾膜分選的方式對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）進(jìn)行分選，包含有上層的樣品流通層，中間的多微孔過濾層，以及下層的支撐及廢液層。血液樣本流入芯片后，循環(huán)腫瘤細(xì)胞會(huì)（CTCs）從上層出口流出或被限制在上層溝道內(nèi)，通過對(duì)器件進(jìn)行沖洗，可以將殘留在器件內(nèi)的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）沖洗出來，完成對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞的有效分選和計(jì)數(shù)。