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仪表网 研发快讯】近日，哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院现代显微仪器研究所(以下简称“仪器学院显微所”)、新加坡南洋理工大学和黑龙江省中医药科学院合作团队提出了一种新型人源肿瘤细胞筛选与检测方法，突破了现有肿瘤细胞检测技术在灵敏度、检测通量和诊断效率等方面的限制。研究成果以《基于超光谱芯片面向肿瘤细胞筛选和量化的三维空间图谱》(Hyperspectral Metachip-Based 3D Spatial Map for Cancer Cell Screening and Quantification)为题发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。
图1 (a)超构传感芯片阵列和单元
显微镜下的照片 (b)设计的单元结构近场增强分布图 (c)太赫兹测试系统示意图 (d)多通道投射光谱测试结果 (e)不同通道品质因数的仿真与测试结果 (f)共振峰移动与分析物折射率之间的关系 (g)折射率灵敏度曲线
肿瘤早期筛查是科学防治癌症的重要一环。传统的早筛过程中针对人源肿瘤细胞诊断方法存在灵敏度低、副作用大、成本高、设备体积庞大、操作程序复杂、对临床经验要求高等问题，并且在医疗条件不佳的偏远地区难以普及，容易使癌症患者错过最佳的治疗时机。因此，开发新型无标记、低成本、快速精准、对生物组织无害、人工操作简易的肿瘤细胞检测方案对提升癌症早期患者治疗成功率和我国整体医疗水平具有重要意义。
图2 不同人源肿瘤细胞样本对应的高维光谱特征及降维过程 (a)A549 (b)HGC-27 (c)PANC-1 (d)U2OS (e)HepG2 (f)提出的人源肿瘤细胞三维空间图谱 (g)在额外的肿瘤细胞样本集下的检测结果，以混淆矩阵的形式展示
本研究创新性提出了一种基于太赫兹多通道超构传感芯片的人源肿瘤细胞三维空间图谱，可以高效检测不同人源肿瘤细胞的种类和浓度。研究团队设计的太赫兹多通道传感芯片由结构简单紧凑的超构单元组成，具有优异的品质因数、环境折射率灵敏度以及浓度灵敏度，可无标记地有效捕获人源肿瘤细胞多个通道下的初始光谱特征。此外，团队还基于机器学习算法将不同肿瘤细胞样本对应的高维光谱特征降维至低维向量，即三维空间图谱中的一个坐标点，显著提升了检测效率和分辨力，并且操作过程无需丰富的临床经验。实验证明，该检测方法可有效区分和筛选五种来自不同人体部位的肿瘤细胞及其浓度，在额外的肿瘤样本集下检测成功率为93.33%。研究提出的解决方案将促进癌症早筛过程中肿瘤细胞检测技术的发展，并为新型高通量生物传感系统的开发提供新的契机。
人源肿瘤细胞三维空间图谱构建过程
哈工大为论文第一单位。仪器学院显微所博士研究生赵子涵、电子与信息工程学院博士研究生唐晓聪和新加坡南洋理工大学纪昌银博士为共同第一作者。仪器学院显微所教授丁旭旻、南洋理工大学助理教授胡光维和黑龙江省中医药科学院副研究员蒙艳丽为通讯作者。哈工大仪器学院刘俭教授对研究工作提供指导和支持。
该研究工作获国家自然科学基金项目资助。
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