稀有細胞富集過濾裝置的制造方法
【專利摘要】一種富集稀有細胞的過濾裝置，包括雙層結構的濾膜，該濾膜的上層為具有微孔的微孔板，下層為具有細胞截留孔的微濾膜，所述微孔的尺寸設置為允許所述稀有細胞通過，而所述細胞截留孔的尺寸設置為不允許所述稀有細胞通過，且所述微孔的孔徑為所述細胞截留孔的5?20倍；且其中所述微濾膜的細胞截留孔位于所述微孔板的對應微孔的下方，用以截留進入微孔中的稀有細胞，其中所述細胞截留孔的孔徑為3?8微米。本裝置解決了稀有細胞離心損失的關鍵問題，因此能獲得較高的稀有細胞回收率。
【專利說明】稀有細胞富集過濾裝置
[0001]本實用新型申請是申請日為2015年12月I日、名稱為“稀有細胞富集裝置”的實用新型申請2015209813591的分案申請。
技術領域
[0002]本實用新型涉及細胞分離、檢測領域，尤其涉及一種從細胞懸液中高回收率篩選收集稀有細胞的裝置。
【背景技術】
[0003]為了醫學診療等目的，會需要從人或動物的血液、組織液或淋巴液，尤其是血液中篩選、分離出游離其中的特定目標細胞，主要是病變的細胞或從病變組織、器官上脫落的細胞。經常地，目標細胞在在上述體液中的含量非常稀少。
[0004]例如，循環上皮細胞是存在于血液中的一種稀有細胞，從病變的上皮組織脫落，其中從良性病變組織脫落的為良性上皮細胞，從惡性病變組織(癌癥)脫落的為腫瘤細胞，其數目極其稀少，每1ml血液可能僅含幾個到幾十個循環腫瘤細胞，卻有多達約I億個白細胞和500億個紅細胞(Zhe XN,Cher ML,BonfiI RD,Am.J.Cancer Res.2011，I，740-751 )，對其檢測猶如大海撈針。除了血液之外，一些組織液中也含有從病變組織脫落的具有診療價值的細胞，如腹水、胸腔積液、腦脊液等中的腫瘤細胞。此外，孕婦外周血中也可檢測到來自胎兒的有核紅細胞，收集這些胎兒的稀有細胞能夠獲得胎兒完整的基因組，從而為產前診斷遺傳病提供有力的工具。
[0005]下面以血液中循環上皮細胞為例概述目前一些稀有細胞富集方法。從血液中富集循環上皮細胞的方法按照富集方式可分為正選或負選，按照富集原理可分為基于細胞表面標志物或基于細胞的物理性質。
[0006](I)正選+細胞表面標志物:這一方法主要通過針對上皮細胞特異性標志物(如EpCAM，EGFR，HER2等)的抗體來富集血液中的上皮來源細胞，抗體可修飾于免疫磁球表面或微流控芯片通道表面，其中最具代表性的是已被美國FDA批準應用于檢測轉移性乳腺癌、前列腺癌及結直腸癌患者外周血中循環腫瘤細胞的Cel I Search?系統(Cri stofani I Ii M,Budd T1Ellis MJ’et al.N.Engl.J.Med.2004,351,781-791；Riethdorf S1Fritsche Η,Muller V,et al.Clin.Cancer Res.2007,13,920-928；Cohen SJ,Punt CJA,Iannotti N,et al.J.Cl in.0ncol.2008，26，3213-3221)，該系統運用標記有EpCAM抗體的磁性微球進行血液中循環腫瘤細胞的富集，但這一方法難以捕獲不表達或低表達EpCAM的上皮細胞，即使使用若干種針對不同抗原的抗體進行聯合捕獲也依然存在上述問題。
[0007](2)正選+細胞物理性質:這一方法主要是利用腫瘤細胞與血細胞尺寸上的差異進行富集。紅細胞明顯小于上皮來源的細胞，而白細胞雖然平均尺寸小于上皮細胞，但是數量巨大的白細胞其尺寸分布很寬，且上皮細胞尤其是腫瘤細胞異質性較大，因此部分白細胞與循環上皮細胞的尺寸存在重疊。通過這一方法分離的循環上皮細胞中往往混入大量白細胞，獲得樣本的純度很低，難以進行后續的分子分析。同時，由于腫瘤細胞的異質性，存在著一些尺寸較小的腫瘤細胞容易被漏選從而造成損失。
[0008](3)負選:這一方法主要是為解決正選難以富集到血液中全體游離的循環上皮細胞而采用的，其富集策略是將血液中已知的血細胞分步去除，從而剩下的細胞懸液中包含了我們所需要的循環上皮細胞。基本的方法是首先通過密度梯度離心去除血液中的紅細胞及部分白細胞，取單個核細胞層與修飾了 CD45抗體的免疫磁球孵育(CD45是白細胞表面共同抗原)，然后通過施加磁場截留表面結合了CD45磁球的白細胞，同時收集剩余的細胞懸液，其中包含了所需要的循環上皮細胞，最后通過離心濃縮這一稀有細胞懸液并進行后續分析。但之前的研究證實這一方法的對上皮細胞的回收率很低，因此一直不是主流的稀有細胞富集方法。
[0009]由于稀有細胞難以高收率的篩選和富集，導致對其檢測分析困難。因此需發展高效、快速的將稀有細胞從例如血液這類極為復雜的生物樣本中富集出來的裝置，達到回收率收集稀有細胞的目的。
【實用新型內容】
[0010]本實用新型所要解決的正是稀有細胞負選回收率低的問題。
[0011]本實用新型的第一方面是一種稀有細胞富集裝置，其包括:細胞篩選部分，其包含形成在兩個相對表面之間的細胞篩選通道，兩個相對表面中的至少一個表面為磁性吸附表面，其中所述細胞篩選通道的厚度設置為，當細胞懸液流經時形成為使得細胞基本上以單層分布的薄液層，從而結合了免疫磁球的多數細胞在所述細胞篩選通道內被吸附到所述磁性吸附表面時避免裹挾稀有細胞。所述裝置還包括:細胞收集部分，其包含過濾單元，其可拆卸地設置于所述細胞篩選部分的下游，以截留未被磁性吸附的稀有細胞。
[0012]本實用新型的第二方面是富集稀有細胞的過濾裝置，其包括雙層結構的濾膜，該濾膜的上層為具有微孔的微孔板，下層為具有細胞截留孔的微濾膜，所述微孔的尺寸設置為允許所述稀有細胞通過，而所述細胞截留孔的尺寸設置為不允許所述稀有細胞通過，且所述微孔的孔徑為所述細胞截留孔的5-20倍;且其中所述微濾膜的細胞截留孔位于所述微孔板的對應微孔的下方，用以截留進入微孔中的稀有細胞，其中所述細胞截留孔的孔徑為3-8微米。
[0013]本實用新型的優選的富集稀有細胞的過濾裝置，所述細胞截留孔的孔徑為4-6微米，且所述微孔的孔徑為所述細胞截留孔的8-15倍。
[0014]當含有目標稀有細胞以及結合有免疫磁球的多數細胞懸液從流經細胞篩選通道時，由于流過通道的適當稀釋細胞懸液的液層很薄，細胞基本上以單層形式存在，表面結合磁球的細胞被吸引到磁性表面的時候不會裹挾稀有的循環上皮細胞。另外，用微濾膜截留未被吸附的稀有細胞可以提高稀有細胞回收率，克服離心濃縮稀有細胞懸液帶來的回收率底的問題。本實用新型解決了通過負選富集稀有細胞時容易導致稀有細胞丟失的兩個關鍵問題，因此能獲得較高的稀有細胞回收率。
【附圖說明】
[0015]圖1是根據本實用新型【具體實施方式】的稀有細胞富集裝置的原理圖；
[0016]圖2是用于本實用新型稀有細胞富集裝置的用于收集稀有細胞的雙層濾膜示意圖;及
[0017]附圖標記的說明:1.稀有細胞富集裝置;2.磁性部;2A.內管；2B.磁體;3.外管;4.進樣口；5.出樣口；6.濾膜;7.集液瓶;8.抽氣口；9.填充物;及C.細胞篩選通道。
【具體實施方式】
[0018]參見圖1，它們示出了本實用新型一【具體實施方式】的稀有細胞富集裝置的原理圖和三維圖。本實用新型的稀有細胞富集裝置I具有主體部分或細胞篩選部分，其包括磁性部2和套在磁性部2外的外管3。磁性部2可包括內管2A和容納其中的磁體2B。磁性部2的外壁與外管3的內壁，也即內管2A的外表面與外管3的內表面，共同界定細胞篩選通道C。主體部分的上、下兩端分別形成有與細胞篩選通道C液體聯通的進樣口 4和出樣口 5。因此，本實用新型的這一實施方式中，富集裝置的篩選部分大體形成為內含磁體的雙層套管結構。
[0019]例如，內管2A和外管3分別采用的材料為聚苯乙烯或親水凝膠包被的聚苯乙烯或其他對細胞不吸附或超低吸附的材料。磁體2B可以是由一個或多個永磁體組合成的圓柱狀的磁體。但本實用新型不限于此。
[0020]內管2與外管3的管壁間距(即沿管壁縱向延伸的通道C的寬度)設置為，當細胞懸液流過通道C時形成的液層很薄，使得懸浮細胞基本上以單層分布。為了使懸浮細胞在通道C中以單層分布，可根據懸浮液中細胞尺寸和懸浮細胞密度來確定通道C的寬度為0.1mm-5mm，優選為0.lmm-lmm。在本實用新型實施例2中，對于從作為多數細胞的白細胞中篩選出作為稀有細胞的循環上皮細胞時實際使用的富集裝置中，通道C的寬度為0.5_。
[0021]當含有目標稀有細胞(例如循環上皮細胞)以及結合有免疫磁球的多數細胞(例如白細胞)懸液從進樣口 4經細胞篩選通道C流向出樣口 5時，帶磁性的多數細胞被吸附到磁性部2的外壁，而稀有細胞則通過通道C流向出樣口 5。由于流過通道C的細胞懸液的液層很薄，同時由于細胞被充分稀釋，因此位于同一高度的細胞數目少，表面結合磁球的白細胞被吸引到磁性部2壁部的時候不會裹挾稀有的循環上皮細胞。
[0022]在本【具體實施方式】中，內管2A內部設置的磁體2B可以為從上至下磁性逐步增強的磁體，例如為梯度遞增磁體。該梯度磁體上部磁場強度較低，下部磁場強度較高，即形成沿細胞篩選通道C或細胞懸液流動方向逐步升高的梯度磁場。例如，通過上下方向放置不同尺寸的磁塊可以獲得梯度磁體。例如，磁體2B為由一組磁性不同的永磁體組合成的圓柱狀的能產生梯度磁場的磁體。或是一個縱截面為梯形的柱狀永磁體，也能夠產生梯度磁場。
[0023]當含有目標稀有細胞(例如循環上皮細胞)以及結合有免疫磁球的多數細胞(例如白細胞)懸液從進樣口 4經細胞篩選通道C流向出樣口 5時，在通道C的上游吸附表面結合有較多免疫磁球的白細胞，下游吸附表面結合較少免疫磁球的白細胞。這一梯度磁場的設置使所有的白細胞盡可能均勻的排布于磁性部2的整個長度上，避免出現白細胞堆積于上部管壁的情況。這可以進一步減少被吸附多數細胞裹挾稀有細胞的可能性。
[0024]另外，為了避免細胞懸液從位于磁性部2的上方進樣后細胞被吸附于磁性部2的上表面，可以在磁體2B上端設置填充物9以減弱磁感應強度。如圖1所示，填充物填充于磁體2B上端與內管2A的上端蓋部之間的空隙中。或者可以整個磁性部2的上端設置填充物。填充物的材料可以采用空氣、海綿、塑料等。
[0025]本實用新型的稀有細胞富集裝置還可以包括收集或富集部分。在圖1所示【具體實施方式】中，稀有細胞富集裝置的富集部分包括設置于出樣口 5中或附近的濾膜6。濾膜6下方設有集液瓶7。用于形成負壓抽濾的抽氣口 8設于濾膜6和集液瓶7之間，或設于集液瓶7上。濾膜6和集液瓶7都是可拆卸地安裝至本實用新型裝置細胞篩選部分的下游，具體地，可拆卸地安裝至出樣口 5的位置。
[0026]所述濾膜可以是包括具有細胞截留孔的微濾膜，該細胞截留孔的孔徑為3-8微米，優選為4-6微米。本實用新型實施例中，所述微濾膜包含約10000個細胞截留孔。
[0027]優選地，可采用雙層結構的濾膜，該濾膜的上層為具有微孔的微孔板，下層為具有細胞截留孔的微濾膜，所述微孔的尺寸設置為允許所述稀有細胞通過，而所述細胞截留孔的尺寸設置為不允許所述稀有細胞通過。且其中所述微濾膜的細胞截留孔位于所述微孔板的對應微孔的下方，用以截留進入微孔中的稀有細胞。進一步優選地，所述細胞截留孔的孔徑為3-8微米，優選為4-6微米，且所述微孔的孔徑為所述細胞截留孔的5-20倍，優選為8-15倍。
[0028]上述雙層結構濾膜的優點在于，上層微孔板中微孔尺寸允許流經的細胞懸液中的細胞進入，而被下方的更小尺寸的細胞截留孔截留，這樣可以阻止細胞懸液中的其他細胞再進入微孔中。從而，可以在一個微孔中僅捕獲一個細胞，從而實現稀有細胞的單細胞的分離。
[0029]圖2是實施例1中使用的本實用新型裝置的雙層結構濾膜的示意圖。圖2的左邊部分為濾膜俯視圖，其中50微米微孔中心位置的黑點對應的下層微濾膜的5微米細胞截留孔。圖2的右上部位孔部分的放大圖，右下部為孔部分的縱向截面放大圖，其中示出上層微孔板由硅片形成，下層微濾膜可由厚度僅I微米的氮化硅形成。如用細針沖擊機械脆性的氮化硅膜，可收獲單個的稀有細胞。
[0030]下面以富集外周血中循環上皮細胞為例，描述本實用新型的稀有細胞富集的使用。
[0031]首先通過密度梯度離心去除血液中的紅細胞及部分白細胞，取單個核細胞層與修飾了CD45抗體的免疫磁球孵育(CD45是白細胞表面共同抗原)。在本實用新型稀有細胞富集裝置I的細胞篩選通道C中加入Hank平衡鹽溶液，然后從進樣口 4加入經過免疫磁球孵育的細胞懸液，并從抽氣口 8抽負壓以抽吸裝置I內的細胞懸液，細胞懸液中的白細胞在經過雙層套筒中間的區域細胞篩選通道C時被梯度磁場吸附于磁性部2的管壁，而剩余細胞則流過該通道C，經出樣口 5最終被截留于濾膜6上。
[0032]上述實施方式的優點在于(I)針對稀有細胞的負選方法一般需要將絕大多數細胞從細胞懸液中分離出去，如何確保在分離這些細胞的過程中不將靶細胞裹挾在內從而造成損失是關鍵。本實用新型將所有細胞排成單層或單列，順次通過磁場捕獲區域，這樣每個細胞在從體系中分離出去的時候并不會影響到其他細胞，也不會將靶細胞裹挾在內從而造成其損失，因此在本實用新型中設計了間距很小的雙層套管結構將液層變得很薄，同時由于細胞懸液已充分稀釋，這樣在雙層套管中間流動的細胞懸液中的細胞能夠接近單層，從而在分離過程中使細胞之間互不干擾；(2)在絕大部分細胞從細胞懸液中分離后，剩余的極少數目細胞懸于較大體積液體中，傳統的通過離心棄上清來濃縮靶細胞的方法極易導致在吸取上清液的時候丟失靶細胞，而使用小孔徑濾膜則能夠有效的截留細胞懸液中所有靶細胞，同時濾去尺寸較小的游離磁球。以上所述的兩個優點解決了通過負選富集稀有細胞時容易導致稀有細胞丟失的兩個關鍵問題，因此能獲得較高的稀有細胞回收率，這也正是本實用新型的創新之處。
[0033]以下結合實施例對本實用新型的使用和效果做進一步說明，以更好地理解本實用新型的裝置。
[0034]實施例1
[0035]富集人外周血中循環上皮細胞
[0036](I)血液樣本的預處理
[0037]將2毫升全血進行密度梯度離心以提取單個核細胞層，其中所使用的密度梯度離心液為Stemcel I公司的Lymphoprep?(#07801)，密度梯度離心管為Stemcel I公司的S印Mate?-15(#15415)，所提取的單個核細胞層用稀釋液(Hank平衡鹽溶液+0.1%牛血清白蛋白+5mM抗凝劑EDTA)進行稀釋，并根據所獲得的每一個白細胞加入100個免疫磁球的比例加入⑶45抗體標記免疫磁球(尺寸約為I微米)，混合孵育I小時。
[0038](2)去除樣本中剩余白細胞
[0039]在循環上皮細胞富集裝置中加入稀釋液至梯度磁鐵上方，然后將與免疫磁球孵育的細胞懸液用稀釋液進一步稀釋至15毫升后加入本實用新型的稀有細胞富集裝置I中，啟動栗通過負壓以抽吸裝置內的細胞懸液，細胞懸液中的白細胞在經過雙層套筒中間的區域時被梯度磁場吸附于筒內壁上，而剩余細胞則流過該區域并最終被截留于磁鐵下方的濾膜上，并用2毫升Hank平衡鹽溶液進行清洗。
[0040]其中，所用稀有細胞富集裝置I的結構如圖1和2所示，其具體結構參數和操作參數如下:
[0041 ]結構參數:通道C的高度為10厘米，內管2A的直徑為5厘米，通道C的寬度(S卩內外管間距)為0.5毫米；
[0042]操作參數:細胞懸液的細胞密度約為40萬/毫升，負壓力產生的進料速度為I毫升/分鐘。
[0043](3)循環上皮細胞的染色
[0044]將濾膜取出，在濾膜上加入100微升4wt%多聚甲醛水溶液，孵育15分鐘以固定濾膜上的細胞。固定完成后，在濾膜上加入PBS緩沖液清洗濾膜，同時在濾膜下方用海綿吸去多余緩沖液，然后在濾膜上加入100微升0.2wt % Triton X-100細胞透膜液，孵育15分鐘以增加循環上皮細胞細胞膜對染色劑的通透性。透膜完成后，用PBS緩沖液清洗濾膜，然后在濾膜上加入100微升封閉液(PBS緩沖液，包含1wt%山羊血清與3wt%牛血清白蛋白)對經固定透膜的細胞進行封閉，減少染色劑的非特異性結合，降低熒光信號的背景噪聲。常溫封閉I小時后，用PBS緩沖液清洗，然后加入100微升染色液(FITC熒光素標記的ant1-pan-CK抗體和APC熒光素標記的ant1-CD45抗體按體積比1:1配置的混合液)，常溫孵育2小時，再用PBS緩沖液清洗去除多余的染色液，最后加入100微升核染色試劑DAPI (20yg/mL)對細胞核進行染色，待PBS緩沖液清洗后完成循環上皮細胞的染色。
[0045](4)循環上皮細胞的鑒定
[0046]將步驟(3)經染色處理的濾膜在熒光顯微鏡下觀察，依次選擇CY5、FITC和DAPI的濾玻片，觀察通道表面熒光顏色，顯藍色則DAPI +，不顯藍色則DAP1-，顯綠色則CK+，不顯綠色則CK-，顯紅色則CD45+，不顯紅色則CD45-，根據熒光顯色，當DAPI+/CK+/CD45-且滿足一定形態學特征的為循環上皮細胞，DAPI+/CK-/⑶45+的為白細胞，DAP1-的為無核紅細胞或其他背景信號，由此可對所有的循環上皮細胞進行計數，從而獲得外周血樣本中循環上皮細胞的數目。
[0047]實施例2
[0048]靈敏度與穩定性實驗
[0049]將5、10、50、100個結腸癌腫瘤細胞HCT116 用染料Vybrant DiI(LifeTehnologies)染色后各摻入I毫升健康人血液中，然后用實施例1的方法捕獲腫瘤細胞，每個實驗重復3次。捕獲結束后直接用熒光顯微鏡計數芯片中的HCT116細胞來計算捕獲效率和實驗偏差。結果表明:摻入5、10、50、100個腫瘤細胞所對應的捕獲效率與實驗偏差分別為73±12%、77±12%、79±6%、78±4%，能夠達到臨床樣本檢測所需的靈敏度與穩定性。
[0050]實施例3
_1 ] 單細胞回收與測序實驗
[0052]將100個非小細胞肺癌細胞H1975用染料Vybrant DiI(Life Tehnologies)染色后摻入I毫升健康人血液中，然后用實施例1的方法捕獲腫瘤細胞，其中回收細胞的微濾膜使用的是如圖2所示的具有雙層結構的微濾膜，其底部為厚度僅I微米的氮化硅薄膜。捕獲結束后直接用熒光顯微鏡計數濾膜上的H1975細胞的位置，并通過細針沖擊H1975細胞所在微孔底部的機械脆性的氮化硅膜，使整個氮化硅薄膜碎裂連同細胞掉入位于其正下方用于細胞回收的384孔板的孔中，其中孔中事先添加了 4微升磷酸緩沖液。然后將細胞裂解，并采用REPL1-g Single Cell Kit(Qiagen，USA)對單細胞全基因組進行放大。具體步驟為，在含有H1975細胞的孔中加入3微升變性液65°C高溫孵育10分鐘后，加入3微升終止緩沖液終止變性。然后，依次加入29微升反應液、2微升phi 29DNA聚合酶，并補水至體積50微升，30度反應8小時，最后65°C高溫繼續反應3分鐘使酶失活，終止整個放大過程。酚氯仿乙醇沉淀進行提純后用于后續的目的基因擴增。
[0053]我們檢測EGFR基因20外顯子中的L858R突變以及21外顯子中的T790M突變，使用的引物為EGFR 20F(CTTTATCCAATGTGCTCCTC)、EGFR 20R(TCTCCCTTCCCTGATTACCT)、EGFR 21F(TTCGCCAGCCATAAGTCCT)以及EGFR 21R(TCATTCACTGTCCCAGCAAG)，并選擇退火溫度59°C，30個循環。實驗結果顯示，所回收的H1975細胞成功擴增出EGFR基因的20、21外顯子，并通過Sanger測序檢測到H1975細胞所具有L858R和T790M突變，從而證明了該技術的可行性。
【主權項】
1.一種富集稀有細胞的過濾裝置，其特征在于，包括雙層結構的濾膜，該濾膜的上層為具有微孔的微孔板，下層為具有細胞截留孔的微濾膜，所述微孔的尺寸設置為允許所述稀有細胞通過，而所述細胞截留孔的尺寸設置為不允許所述稀有細胞通過，且所述微孔的孔徑為所述細胞截留孔的5-20倍;且其中所述微濾膜的細胞截留孔位于所述微孔板的對應微孔的下方，用以截留進入微孔中的稀有細胞，其中所述細胞截留孔的孔徑為3-8微米。2.如權利要求1所述的富集稀有細胞的過濾裝置，其特征在于所述細胞截留孔的孔徑為4-6微米，且所述微孔的孔徑為所述細胞截留孔的8-15倍。
【文檔編號】C12M1/12GK205603580SQ201620359187
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年12月1日
【發明人】閻灼輝
【申請人】蘇州浚惠生物科技有限公司