微系統中細胞分選方法淺析

李備，張來明，李文杰，楊暢

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.長春長光辰英生物科學儀器有限公司，吉林長春 130033）

1 單細胞彈射分選技術

單細胞彈射分選技術是一種基于激光與物質相互作用的精準分離技術，可實現對復雜生物樣本中單細胞的精準分選與分離，具有可視化、無標記、非接觸、準確率高、廣泛適用等特點。如圖1所示，為單細胞彈射分選原理圖。將細胞群放置在分選新品上，然后翻轉，脈沖激光經過倒置物鏡聚焦到樣品上，透過玻璃基板與介質層的相互作用，將目標細胞彈射下來。

圖1 單細胞彈射分選原理圖

單細胞彈射分選技術為環境、臨床等復雜生物樣本中的單細胞，特別是微生物分選提供了先進可靠的工具。在醫療領域，單細胞精準分選儀可通過單細胞智能識別及分選功能，從血液、尿液等成分復雜的臨床樣本中，快速定位并分離病原微生物，替代耗時長的微生物純培養過程，大大縮短感染性疾病的致病菌診斷周期，從而指導用藥，為患者特別是重癥感染患者爭取黃金治療期，直接防止抗生素濫用。在生物制藥領域，單細胞精準分選儀可實現對具有特殊生理功能或代謝產物的工程微生物的快速篩選，縮短工程菌制備周期。如圖2所示，為單細胞彈射分選前后的細胞芯片顯微圖像和接收器顯微圖像。通過精準單細胞分選過程，可以看見經過分選的細胞處已經沒有細胞，而在接收器中可觀察到細胞的存在。對比說明了細胞的精準分選。

圖2 單細胞彈射分選結果

單細胞研究在國內外科研和成果產業化中逐步趨熱，必將是未來精準醫療、生物制藥、全民健康、環境資源等眾多行業的發展方向，為探索單細胞生命科學提供一個有效方法，為解密生命密碼提供一個有力工具。

2 微濾分離和分選

分選微粒最傳統的方法是微濾。該方法利用調整微孔的大小和微柱之間的間隙進行分選。因此，微濾高度依賴于微粒的大小。這種方法的優點是易于操作人員理解分離原理（這并不意味著制造或實驗過程簡單），并且易于添加到其他方法中。

另一種微流體細胞分離系統使用微柱作為全血細胞計數的過濾器。通過設計微柱與微柱大小之間的間隙，對微粒、血細胞進行分選和分析。微通道有3個區域，對應于有不同目標大小的微粒。每一種微觀結構都有一個凹槽來捕捉目標微粒，并有一個小間隙連接凹槽，使小于目標尺寸的微粒通過。

3 磁力

紅細胞的天然磁化率是由于血紅蛋白的存在（紅細胞中的脫氧血紅蛋白是順磁性的）。利用細胞的天然磁性，可以實現紅細胞與全血的分離。有研究人員[1]利用同樣的機制，報道了一種分離罕見有核紅細胞的微系統。為了改善以往復雜系統的缺陷（回收率低、細胞純度不理想），該研究采用磁性柱微流體系統，實現了從母體血液中高通量地分離稀有有核紅細胞（NRBCs）。

另一種方法（顆粒磁分選法）是利用包覆靶向特異性細胞膜抗原的磁性顆粒進行分選。可以直接或間接地通過生物素、鏈霉親和素偶聯介導獲得抗體涂層。涂層后，粒子和細胞混合并孵育，在微流控系統中利用磁鐵可以快速回收。另一項研究表明，基于細胞的內吞能力，納米顆粒被內吞化后可以分離單核細胞和巨噬細胞。單核細胞和巨噬細胞的內吞能力差異較大[2]。

4 利用表面特性進行分選

還有其他利用表面支撐物，如疏水性和化學鍵分離細胞的例子。為了從血細胞中分離白細胞和紅細胞，有研究者[3]在微通道中采用了雙水相層流的方法，利用不同細胞對于不同細胞溶液的不同疏水性，將聚乙二醇（PEG）等疏水細胞溶液或親水性細胞的右旋糖酐涂于微通道懸浮的血細胞上，誘導細胞運動。白細胞向PEG溶液移動，紅細胞向右旋糖酐溶液移動，實現了用不同疏水性溶液分離兩親性細胞的目的。

CTCs是血液中漂浮的腫瘤細胞，可從原發腫瘤細胞中脫離，引起腫瘤轉移。檢查患者血液中CTCs的數量可以為癌癥的診斷提供一個很好的指標。然而，檢測CTCs的主要問題之一是血液中CTCs的數量非常少，轉移性疾病患者每毫升全血中僅觀察到1至10個細胞。因此，開發CTCs分離技術是細胞分離研究的重要課題之一。為了檢測和分離CTCs，微系統需要具備以下能力：高流速、高分選精度、分離后CTCs的高存活率。錢伶琳等[4]提出了一種利用微柱的微流體平臺。該系統由靶CTCs與上皮細胞粘附分子（EpCAM）包覆的微柱在精確控制的層流條件下相互作用，無需對樣品進行預先標記。通過對流速和剪切力兩個參數的控制，優化了細胞-微柱接觸和細胞-微柱附著的持續時間。該系統能夠從轉移性肺癌、前列腺癌、胰腺癌、乳腺癌和結腸癌患者的外周血中鑒別出CTCs，準確率達99%。

5 結語

本文介紹了4種基于物理原理的微米級分離系統及其在生物醫學和臨床病例中的應用。任何細胞分離系統的重要目標都是實現高精度和高通量的分離。細胞分離微系統的不斷發展將為診斷CTCs和癌癥轉移以及分析血液中的其他元素帶來新的機遇。因此，應該擴展細胞分選微系統，使其在醫學和生物領域得到更廣泛的應用。由于開發人員和用戶（生物學家和臨床醫生）之間存在差距，阻礙了微系統向實際醫療的過渡進程。因此，為了縮小差距，生物學家需要深入了解現有的傳統工具及其局限性，并將其與新工具結合起來，更詳細地揭示細胞特征，而工程師則需要改進和開發更加簡單、直觀、用戶友好的新工具。