新學(xué)期開學(xué)前夕，南方科技大學(xué)科研工作再傳喜訊：2017年國家自然科學(xué)基金委資助項目公布，南科大獲資助項目共91項，資助率達到38.24%，高出全國平均數(shù)17.15個百分點。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)成果并推動科技應(yīng)用，為國家建設(shè)和社會發(fā)展貢獻智慧和力量。
為了讓社會更好了解學(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”系列報道，希望跟大家分享交流學(xué)校部分教授團隊的研究工作和進展，敬請垂注。
2017年5月10日，國家科技部發(fā)布《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》，加快推進生物技術(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)測序技術(shù)、新型質(zhì)譜和微流控芯片技術(shù)；發(fā)展單細胞分離、基因組擴增、轉(zhuǎn)錄組擴增和單細胞基因組分析技術(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，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。
029ednc20170921芯片實驗室示意圖
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)用對象的全新技術(shù)。其目標是把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的采樣、稀釋、進樣、反應(yīng)、分離、檢測，細胞培養(yǎng)、分選、內(nèi)涵物檢測等基本操作單元集成到很小的芯片上，實現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物實驗室的功能。
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上靈活組合和規(guī)模集成，它可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析，并且可以在線實現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程，從而可以實現(xiàn)高程度的集成化和自動化，進而減少污染、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)展成為一個生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。
030ednc20170921程鑫課題組研發(fā)的用于單細胞捕捉及配對的微流控芯片示意圖
程鑫教授的實驗室團隊建立了實現(xiàn)高通量的細胞捕捉和配對的介電電泳(Dielectrophoresis, DEP)微流控芯片平臺，DEP芯片系統(tǒng)可以根據(jù)不同的功能需求進行“定制化”的設(shè)計以及利用微加工的方式進行制備。在單細胞捕捉和配對的操控中，DEP芯片通過改變施加電壓的頻率等條件, 能夠控制細胞受正介電電泳力作用向高電場或者受負介電電泳力作用向低電場運動, 從而將群細胞分離并將不同種類的單細胞配對到微腔陣列中，實現(xiàn)高通量單細胞的捕捉和配對。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)實現(xiàn)了高達80%以上的單細胞捕捉效率和70%以上的細胞配對效率。
這項單細胞捕捉技術(shù)可以有效應(yīng)用于多種單細胞生物學(xué)行為的研究中。例如，在對細胞代謝的研究中，通過高通量DEP芯片有效分離捕捉單細胞后，可以實現(xiàn)對單個細胞鈣離子濃度的實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一定的刺激后，一些細胞表現(xiàn)出鈣離子濃度隨時間反復(fù)的升高或降低這一獨特的響應(yīng)模式，這對于疾病的診斷和治療具有十分重要的意義。又如，在單細胞測序領(lǐng)域，一個細胞里的DNA或者RNA僅僅處在皮克級的水平，這么少的量遠遠達不到現(xiàn)有測序儀的最低上樣需求。因此科學(xué)家們必須先對單細胞內(nèi)的微量核酸分子進行擴增，以便開展后續(xù)的測序及其他研究。利用高通量DEP芯片將細胞分離到獨立的微腔內(nèi)，在微腔內(nèi)直接進行PCR擴增，從而可以實現(xiàn)高通量的單細胞測序，期望能夠為人們揭示更多復(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現(xiàn)高效率的單細胞捕捉，而且可以有效實現(xiàn)高通量的單細胞配對的操控，在細胞融合和細胞間相互作用領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。以細胞融合為例，細胞融合也被稱為細胞雜交，是通過誘導(dǎo)和培養(yǎng)等方法，使兩個或兩個以上的同源或異源細胞在離體條件下形成雜合細胞的過程。目前已經(jīng)成為現(xiàn)代生物工程技術(shù)研究中的一項重要手段。細胞融合技術(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，精準的單細胞捕獲和配對是開展細胞融合研究的前提，需要設(shè)計和構(gòu)建行之有效的單細胞配對實驗平臺。目前這種高通量DEP微流控芯片已經(jīng)實現(xiàn)了在3000多個微腔陣列的芯片上高達70%以上的配對效率，為精準細胞融合提供了良好的平臺。
對循環(huán)腫瘤細胞進行有效分選和計數(shù)
031ednc20170921程鑫課題組研發(fā)的用于循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）分選-計數(shù)的微流控芯片示意圖
當前全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)，合成生物技術(shù)展現(xiàn)出巨大潛力，個性化醫(yī)療和精準醫(yī)學(xué)改變傳統(tǒng)的疾病診療模式并推動醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)變革。
循環(huán)腫瘤細胞（circulating tumor cells ，CTCs）是從形成的腫瘤實體上脫落，進入人體外周循環(huán)血的各類腫瘤細胞的統(tǒng)稱，是腫瘤開始轉(zhuǎn)移的標志，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)移依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。及時定位和捕獲循環(huán)腫瘤細胞，對于癌癥早期診斷、預(yù)后分析、個性化醫(yī)療、腫瘤單細胞測序等研究方向具有重要的意義。
基于這個目標，程鑫課題組還開發(fā)了一種用于循環(huán)腫瘤細胞篩選-分離-計數(shù)的微流控芯片平臺。循環(huán)腫瘤細胞在血液中的含量極為稀少，血液中血細胞與循環(huán)腫瘤細胞的濃度之比大于106，而癌癥患者每毫升血液中的循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）的個數(shù)在10個以下，如何有效地分離與富集循環(huán)腫瘤細胞是當前研究的重點和挑戰(zhàn)。
程鑫課題組開發(fā)的這種微流控芯片平臺采用濾膜分選的方式對循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）進行分選，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)腫瘤細胞會（CTCs）從上層出口流出或被限制在上層溝道內(nèi)，通過對器件進行沖洗，可以將殘留在器件內(nèi)的循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）沖洗出來，完成對循環(huán)腫瘤細胞的有效分選和計數(shù)。