CN113846012A - 一种细胞集中分选***及分选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种细胞集中分选***及分选方法,包括对含有靶细胞的细胞悬液样本进行靶细胞富集的微流控细胞分选装置,和驱动细胞悬液样本进入微流控细胞分选装置中的第一驱动机构;微流控细胞分选装置上设有供样本废液流出的管道A和供靶细胞流出的管道B;管道B上还设有过滤靶细胞的微孔滤膜装置;通过微流控细胞分选装置去除样品中绝大多数的细胞等颗粒成份,降低和避免样品在流过所述微孔滤膜装置时造成滤膜堵塞的可能性,在微流控细胞分选装置作用下,使靶细胞与样本废液分离,实现了细胞分选,通过微孔滤膜装置进一步过滤,使靶细胞集中于微孔滤膜装置,提高了细胞分选的效率。
Description
技术领域
本发明涉及细胞分选技术领域,更具体地说,涉及一种细胞集中分选***及分选方法。
背景技术
在基于细胞的液体活检中,可通过大小及细胞和细胞团的硬度从血液中将循环肿瘤细胞等异常细胞富集出来。在基于物理特征的分选富集方法中,可大致分为基于微流控芯片的分选富集和基于微孔膜的分选富集两种。
由于血液中细胞数量巨大,为分选富集带来了非常大的压力。其中基于微孔膜的分选富集技术中,常规的核孔膜由于孔隙率较低,难以支持5mL以上的血液过滤。要想提高孔隙率的同时保证微孔直径的均一性,只能设计和制造微孔规律布置的滤膜,虽然可以解决通量问题,但生产成本太高,作为医学检测耗材难以被患者接受。采用过滤的方式进行分选富集通常需要将富集到的靶细胞冲洗下来进行分析鉴定。片上鉴定存在两个问题,一个是滤膜的存在会对光学分析产生不可避免的干扰;另一个是为了增加样本通量,滤膜的面积通常比较大,那么在使用显微镜等仪器进行分析时,就需要对整个面积进行全覆盖扫描,以避免遗漏,导致分析时间和成本的显著增加。
通过微流控技术进行细胞分选主要有惯性聚焦微流控技术和确定性定向偏移技术等,在通量要求稍低的情况下也可用超声、电场等方式进行分选。利用流体力学等纯物理方法进行分选可避免过滤导致的堵塞等问题,可长时间连续分选。在实际应用中,微流控分选也面临着一些技术上的缺点。比如一般在分选前需要对样本进行稀释或在分选时引入缓冲液等,这样的做法会导致回收液的体积显著增加。当回收靶细胞仅有一千个以下时,在后续进行分析鉴定时就需要对回收样本进行浓缩,在操作时很容易造成珍贵样本的丢失。在一些解决方案中采用了分选富集与片上过滤捕捉集成的方式将富集到的细胞固定在芯片的特定区域以便进行片上分析,但为了降低捕捉时的流速提高捕捉的成功率,捕捉区域的面积通常也比较大,因此一样面临分析时需要全覆盖扫描导致分析时间和成本增加的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种细胞集中分选***及分选方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种细胞集中分选***,包括对含有靶细胞的细胞悬液样本进行靶细胞富集的微流控细胞分选装置,和驱动所述细胞悬液样本进入所述微流控细胞分选装置中的第一驱动机构;所述微流控细胞分选装置上设有供样本废液流出的管道A和供所述靶细胞流出的管道B;所述管道B上还设有可与所述管道B分离的过滤所述靶细胞的微孔滤膜装置。
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微流控细胞分选装置可为被动式分选的螺旋流道惯性聚焦微流控芯片、确定性侧向偏移微流控芯片、微涡旋微流控芯片或切向流过滤微流控芯片。
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微流控细胞分选装置还可以为利用电场、磁场、超声波、光镊等进行主动式分选的微流控细胞分选装置。
本发明所述的细胞集中分选***,其中,第一驱动机构可以为蠕动泵、注射泵、隔膜泵、齿轮泵、柱塞泵、电渗流泵等用于驱动细胞悬液进入微流控细胞分选装置中的现有技术。
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微流控细胞分选装置为确定性侧向偏移微流控芯片;所述确定性侧向偏移微流控芯片包括确定性侧向偏移区域;所述确定性侧向偏移区域的一侧包含入口A,另一侧包含出口B;所述入口A包含至少两个通道,其一通道供所述细胞悬液样本输入,另一通道供缓冲液输入;所述出口B包含至少两个通道;其一通道供所述靶细胞和所述缓冲液流出,另一通道供所述样本废液流出;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微流控细胞分选装置为螺旋流道惯性聚焦微流控芯片;所述螺旋流道惯性聚焦微流控芯片包括多圈呈螺旋设置的流道;所述流道的一端包含供稀释后的所述细胞悬液样本输入的入口C,另一端包含出口D;所述出口D包含至少两个通道,其一通道供所述靶细胞流出,另一通道供所述样本废液流出;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述分选***还包括对所述靶细胞进行自动化标记的第二装置;所述第二装置与所述微孔滤膜装置相连通;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述第二装置包括温度控制***、试剂切换装置、与所述试剂切换装置连接的至少一个试剂进样管路和驱动所述试剂进样管路中的流体进入所述微孔滤膜装置的第二驱动机构;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述第二装置还包括切换所述第二装置中的流体流入所述微孔滤膜装置的试剂切换阀;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微孔滤膜装置包括微孔滤膜和将所述微孔滤膜固定在所述管道B上的环形构件;所述环形构件紧密套设在所述管道B的输出端上;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微孔滤膜的孔径小于所述靶细胞直径;
本发明所述的细胞集中分选***,其中,所述微孔滤膜的孔隙率不小于20%;
本发明还公开了一种细胞分选方法,应用上述的细胞集中分选***;其中,包括以下步骤:
步骤一:将含有靶细胞的细胞悬液样本经样本进样管路引入微流控细胞分选装置中,通过微流控细胞分选装置去除其中主要的非目标颗粒成份;
步骤二:将步骤一中的所述分选后的细胞悬液样本沿固定流道引入微孔滤膜装置中,所述微孔滤膜装置过滤掉部分非目标颗粒成份及废液,同时将所述靶细胞截留在所述微孔滤膜装置内完成分选;
步骤三:将步骤二中含有截留所述靶细胞的所述微孔滤膜装置从所述固定流道分离。
本发明的有益效果如下所示:
(1)通过微流控细胞分选装置去除血液样品中绝大多数的细胞等颗粒成份,降低和避免细胞悬液样本在流过所述微孔滤膜装置时造成滤膜堵塞的可能性,在微流控细胞分选装置作用下,使靶细胞与样本废液分离,实现了细胞分选,通过微孔滤膜装置进一步过滤,使靶细胞集中于微孔滤膜装置,提高了细胞分选的效率。同时可显著降低滤膜的面积从而降低滤膜的使用成本及后续光学分析的时间。
(2)通过第二装置中的试剂,对靶细胞进行固定、打孔、封闭、染色、清洗、裂解等处理,可直接在所述微孔滤膜上进行,避免常规操作需要通过离心换液进行清洗造成的时间浪费和细胞损失及损伤。
(3)通过将靶细胞集中并浓缩于更小的区域,可在后续分析时消耗更少的试剂实现对细胞的标记等操作,有效降低试剂消耗,减少分析成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图:
图1是本发明较佳实施例的一种细胞集中分选***的工作过程示意图;
图2是本发明较佳实施例的一种细胞集中分选***的所述微孔滤膜装置及与其相连的样本预处理***及所述第二装置的***主要部件构成示意图;
图3是本发明较佳的实施例的确定性侧向偏移微流控芯片进行样本预处理及在所述第二装置中通过蠕动泵与旋转切换阀结合的方式控制试剂对所述微孔滤膜内的回收样品进行处理的***主要部件构成示意图;
图4是本发明较佳的另一实施例的螺旋流道惯性聚焦微流控芯片进行样本预处理及在所述第二装置中通过注射泵分别独立控制试剂对所述微孔滤膜内的回收样品进行处理的***主要部件构成示意图;
图5A是图4中不带有第二装置的预处理***的另一***主要部件构成示意图;
图5B是图4中与预处理***分离的第二装置的另一***主要部件构成示意图;
图6是本发明较佳实施例的一种分选方法流程图。
附图标记如下:
100为样本预处理***;
110为微孔滤膜装置;
120为微流控细胞分选装置;
130为样本进样管路;
140为缓冲液管路;
150为管道A;
160为管道B;
170为待处理样品容器;
180为缓冲液容器;
190为废液容器;
200为回收液容器;
210为待处理样品;
220为缓冲液;
230为样本废液;
240为回收液;
250为靶细胞;
260为进样泵;
270为试剂切换阀;
280为温度控制***;
290为温度传感器;
300为试剂进样装置;
310为试剂切换装置;
320为试剂;
330为试剂容器;
340为试剂进样管路;
350为止逆阀;
360为第二装置;
370为进样阀门;
380为稳压装置;
390为过滤装置;
400为试剂注射泵;
410为第一切换阀;
420为试剂缓冲液进样泵;
430为空气过滤装置;
440为第二切换阀;
450为第三切换阀;
460为试剂分发管路;
470为试剂分发控制阀;
480为试剂出口管路;
490为试剂废液回收容器;
500为废液。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例是本发明的部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供一种细胞集中分选***,如图1-图4所示,包括对含有靶细胞250的细胞悬液样本进行靶细胞250富集的微流控细胞分选装置120,和驱动细胞悬液样本进入微流控细胞分选装置120中的第一驱动机构;微流控细胞分选装置120上设有供样本废液230流出的管道A150和供靶细胞250流出的管道B160;管道B160上还设有可与管道B160分离的过滤靶细胞250的微孔滤膜装置110。
具体地,第一驱动机构可以为蠕动泵、注射泵、隔膜泵、齿轮泵、柱塞泵、电渗流泵等用于驱动细胞悬液进入微流控细胞分选装置120中的现有技术。
通过微流控细胞分选装置去除细胞悬液样本中绝大多数的非靶细胞等颗粒成份,降低和避免细胞悬液样本在流过所述微孔滤膜装置时造成滤膜堵塞的可能性,在微流控细胞分选装置作用下,使靶细胞与样本废液分离,实现了细胞分选,通过微孔滤膜装置进一步过滤,使靶细胞集中于微孔滤膜装置,提高了细胞分选的效率。
具体地,该分选***用于从带有大量背景细胞的样品中富集数量稀少的靶细胞,并对回收样本溶液进行浓缩,使靶细胞被集中于较小的范围内,便于进行后续处理。如图1中,虚线框内装置为样本预处理***100的主要构件,该样本预处理***包括:用于进行靶细胞250富集的微流控细胞分选装置120,样本进样管路130,缓冲液管路140,管道A150,管道B160,缓冲液容器180及废液容器190。虚线外有待处理样品容器170,经过滤后的回收液容器200以及用于对回收溶液进行浓缩的微孔滤膜装置110;回收液容器200内收集过滤后的回收液240;该回收液240主要是缓冲液和微小细胞等。
其中第一驱动机构若为注射泵,该注射泵的注射流量控制范围为0.05~50mL/min,其中第一驱动机构若为蠕动泵,该蠕动泵的泵管内径为0.25~2㎜,流量控制范围为0.05~50mL/min,其余所有管路均为内径0.25~2㎜的细管。
具体地,微流控细胞分选装置120为被动式分选的螺旋流道惯性聚焦微流控芯片、确定性侧向偏移微流控芯片、微涡旋微流控芯片或切向流过滤微流控芯片。
具体地,微流控细胞分选装置120还可以为利用电场、磁场、超声波、光镊等进行主动式分选的微流控细胞分选装置。
具体地,微孔滤膜装置110包括微孔滤膜(图中未示)和将微孔滤膜(图中未示)固定在管道B160输出端上的环形构件(图中未示);环形构件(图中未示)紧密套设在管道B160的输出端上;
具体地,微孔滤膜的孔径小于靶细胞250的直径;其中微孔滤膜的孔径典型范围为3-15μm;
具体地,微孔滤膜的孔隙率不小于20%,具体地,微孔滤膜的孔隙率为80%;
具体地,微孔滤膜的面积不大于4㎜²;
具体地,其中微孔滤膜装置的微孔滤膜为直径1.5㎜的圆形,厚度15μm,微孔孔径7μm,规则排列;
需要指出的是,为便于描述本发明方法核心步骤,样本预处理***100的其它部件在图1中被省略,但在实际设备的设计和制造过程中,还应根据需要包含样本及缓冲液输入及流量控制单元、流程控制***、人机接口、设备外壳及相应的监控与防护装置等。
图2通过流体控制符号***进一步描述了一个包含所述第二装置部分的解决方案。其中试剂切换阀270、温度控制***280、温度传感器290、试剂进样装置300、试剂切换装置310、试剂320、试剂容器330、试剂进样管路340、止逆阀350、共同构成了用于对细胞进行自动化标记等操作的第二装置。第二装置还包括驱动试剂进样管路中的流体进入微孔滤膜装置110的第二驱动机构,该第二驱动机构为蠕动泵、注射泵、隔膜泵、齿轮泵、柱塞泵、电渗流泵等现有技术。
在图2所示的若干个试剂容器330中,装有用于对微孔滤膜装置110内靶细胞进行处理的试剂320。当样本预处理***100完成对样本中的细胞进行分选,将所有靶细胞收集到微孔滤膜装置110中后,第二装置将根据需要,在试剂切换装置310的控制下,通过试剂进样装置300分别将不同的试剂320依次加入到微孔滤膜装置110中,并在温度控制***280和温度传感器290的配合下完成对微孔滤膜装置110中的细胞的固定、封闭、打孔、染色、清洗等处理。在所述步骤完成后微孔滤膜装置110从管道B160上取下,以便在显微镜下进行分析鉴定,或在其它分析设备下对微孔滤膜装置110内的细胞进行分析。由于微孔滤膜装置110的滤膜面积较小,可在显微镜的一个视野下浏览全部细胞,因此可快速对细胞进行分析,无需配置显微镜移动平台。
需要指出的是,为便于描述本发明方法核心步骤,第二装置的部分部件在图2中被省略,但在实际设备的设计和制造过程中,还应根据需要包含试剂流量控制单元、流程控制***、人机接口、设备外壳及相应的监控与防护装置等。
需要指出的是,图2中所述第二装置仅为对微孔滤膜装置110内的细胞进行处理的一个方案示例,在具体实施过程中,试剂的种类、数量以及进样方式将根据方案需要进行确定和调整。其中试剂的种类可能是2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个。
图3为图2所示***的一个较为具体的实施方案,用以说明采用不同类型的构件功能单元时,***的一种可能的呈现方式。图3所示的微流控细胞分选装置120为确定性侧向偏移微流控芯片;确定性侧向偏移微流控芯片包括确定性侧向偏移区域;确定性侧向偏移区域的一侧包含入口A,另一侧包含出口B;入口A包含至少两个通道,其一通道供样本输入,另一通道供缓冲液输入;出口B包含至少两个通道;其一通道供靶细胞和缓冲液流出,另一通道供样本废液流出;在一个具体应用中,流出确定性侧向偏移区域后的样本废液和过滤回收液流量比可为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1等;
确定性侧向偏移区域包括多个呈阵列排布并与样本的流向成倾斜角度的导向柱(图中未示);在一个具体应用中,相邻导向柱(图中未示)之间的间距可为50μm±5μm;靶细胞250在接触导向柱(图中未示)时向固定方向做微量偏移,靶细胞250与样本中其它成份分离,并随缓冲液从管道B160排出,而其余样本废液230则从管道A150排出;
具体地,该分选***采用注射泵驱动的方式将待处理样品容器170内的待处理样品210吸入注射泵的注射器并按照设定流量通过样本进样管路130输送到微流控细胞分选装置120。其中细胞悬液样本吸入注射器与泵出到微流控细胞分选装置120的切换由第二切换阀440控制。同时,该分选***采用注射泵驱动的方式将缓冲液容器180内的缓冲液220吸入注射泵的注射器并按照设定流量通过缓冲液管路140输送到微流控细胞分选装置120,以保证样本和缓冲液按照一定的比例进入微流控细胞分选装置120内,从而实现对细胞的分选富集。其中缓冲液吸入注射器与泵出到微流控细胞分选装置120的切换由第三切换阀450控制。经微流控细胞分选装置120处理过的回收液通过管道B160进入微孔滤膜装置110。样本处理完成后靶细胞250全部富集在微孔滤膜装置110中。
进行靶细胞250富集时,含有靶细胞250的待处理样品210经样本进样管路130流入微流控细胞分选装置120,在经缓冲液管路140引入的缓冲液220的作用下,靶细胞250在微流控细胞分选装置120内与样本其它成份分离,样本废液230则通过管道A150流入废液容器190,靶细胞250则通过富集流出管道B160流出样本预处理***100,进入微孔滤膜装置110中,由于微孔滤膜装置110的滤膜孔径小于靶细胞250直径,因此靶细胞250将被截留在微孔滤膜装置110内,其它回收液及跟随靶细胞250流入管道B160的一些比靶细胞250小的样品中的固体颗粒成份则通过微孔滤膜装置110的滤孔流入回收液容器200中。
当所有待处理样品210都经过微流控细胞分选装置120的分选后,待处理样品210中的全部靶细胞250将被微孔滤膜装置110截留在滤膜上方。第二装置360的试剂切换阀270将管道B160的流路切换为与第二装置360连通。
具体地,第二装置360进一步包括试剂切换阀270,温度控制***280,试剂进样装置300,试剂切换装置310,空气过滤装置430以及由试剂320、试剂容器330、试剂进样管路340构成的五个试剂加载单元等。五个试剂加载单元、空气过滤装置430、试剂进样装置300均与试剂切换装置310连接;其中空气过滤装置430过滤精度为0.2微米;试剂进样装置300可为蠕动泵,蠕动泵的泵管内径为0.5毫米,流量控制范围为10~100微升每分钟。
如图3所示,当试剂切换阀270将管道B160的流路切换为与第二装置360连通后,试剂进样装置300将五种试剂320按规划顺序分别通过试剂切换装置310的切换依次加载到微孔滤膜装置110中,从而对实现微孔滤膜装置110中的细胞的固定、透化、封闭、染色、清洗等处理。当加载一些试剂后需要对微孔滤膜装置110中的温度进行控制时,由温度控制***280通过控制管道B160的温度,并经热传导作用改变微孔滤膜装置110中的温度。当需要对微孔滤膜装置110中的试剂进行排空时,试剂切换装置310将试剂进样装置300与空气过滤装置430接通,并蠕动泵的作用下,将微孔滤膜装置110中的试剂进行排空。经过第二装置360处理过的微孔滤膜装置110中的样本可通过从管道B160分离微孔滤膜装置110的方式取出,并在显微镜下进行分析鉴定,或在其它分析设备下对微孔滤膜装置110内的细胞进行分析。由于微孔滤膜装置110的滤膜面积较小,可在显微镜的一个视野下浏览全部细胞,因此可快速对细胞进行分析,无需配置显微镜移动平台。在进行上述细胞处理时,避免了常规处理需要进行频繁离心清洗的步骤,节约清洗时间,同时也可最大限度地降低对细胞的损失和伤害。
如需对细胞进行PCR(聚合酶链式反应分析)或NGS(高通量测序),可通过滤纸从底部将微孔滤膜装置110内的残液吸光后加入细胞裂解液对细胞进行裂解。上述操作同样避免了需要对细胞进行离心体积浓缩的步骤。
需要指出的是,为便于描述本发明方法核心步骤,该细胞集中分选***在实际设备的设计和制造过程中,还可根据需要包括样本及缓冲液输入及流量控制单元、流程控制***、人机接口、设备外壳及相应的监控与防护装置等。
一种具体用途可以是,对去人体外周血中的循环肿瘤细胞进行富集并进行自动化免疫荧光染色。例如,首先需要对样本预处理***100进行缓冲液预充,步骤包括在待处理样品容器170内加入7.5毫升人体外周血,在缓冲液容器180中加入50毫升1×PBS缓冲液,将第三切换阀450切换至试剂缓冲液进样泵420与缓冲液管路140连通状态,以30毫升每分钟的流量将缓冲液吸入试剂缓冲液进样泵420的注射器中;将第二切换阀440切换至进样泵260与样本进样管路130连通状态,同时将第三切换阀450切换至试剂缓冲液进样泵420与缓冲液管路140连通状态,以500微升每分钟的流量将缓冲液经缓冲液管路140充满微流控细胞分选装置120,并保持1分钟时间。在试剂缓冲液进样泵420使用缓冲液对管路***进行预充期间,进样泵260先以100微升每分钟的流量吸入部分缓冲液,再将第二切换阀440切换至进样泵260与待处理样品容器170连通状态,以100微升每分钟的流量排出部分缓冲液,使样本预处理***100中所有管路与注射器内的气体排光,完成预充。接下来需要将样本加载至进样泵260的注射器内,步骤包括以10毫升每分钟的流量吸入全部样本溶液,同时保证不将气体吸入注射器内,停止进样泵260及试剂缓冲液进样泵420,并将样本管路切换第二切换阀440切换至进样泵260与样本进样管路130连通状态。以上准备过程结束后可开始对样本进行处理,其过程包括,同时开启进样泵260及试剂缓冲液进样泵420,分别以0.2毫升每分钟与0.5毫升每分钟的流量将细胞悬液样本和缓冲液注入微流控细胞分选装置120中,在确定性侧向偏移的作用下,将细胞悬液样本中的循环肿瘤细胞分离出来,并在微孔滤膜装置110的作用下将循环肿瘤细胞拦截在微孔滤膜装置110内。当进样泵260内的细胞悬液样本处理结束后首先停止进样泵260的流入,并使试剂缓冲液进样泵420持续泵入缓冲液约1分钟时间,将微流控细胞分选装置120与管道A150中的残余细胞悬液样本全部排出后停止试剂缓冲液进样泵420,完成分选。
具体地,五个试剂容器330中分别装有1×PBS缓冲液、固定液4%多聚甲醛、透化剂0.4% Triton X-100、封闭液及DAPI/CD45/CK鸡尾酒荧光染色试剂。当试剂切换阀270将管道B160的流路切换为与第二装置360连通后,试剂切换装置310首先切换到管道B160与装有1×PBS缓冲液的试剂容器330连通状态,由试剂进样装置300将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟后停止加载,之后试剂切换装置310切换到管道B160与装有固定液4%多聚甲醛的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将固定液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续加载10秒钟后停止加载,并保持十分钟,以使细胞充分固定,防止蛋白水解酶引起的细胞自溶和细胞衰败,增强细胞的硬度和机械强度,之后试剂切换装置310再次切换到管道B160与装有1×PBS缓冲液的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟,清洗掉多余的固定液后停止加载,之后试剂切换装置310切换到管道B160与装有透化剂0.4% Triton X-100的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将透化剂以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续加载10秒钟后停止加载,并保持十分钟,以对细胞进行破膜透化处理,在细胞膜上打小孔通道使抗体或染料容易进入并与胞内蛋白接触,之后试剂切换装置310再次切换到管道B160与装有1×PBS缓冲液的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟,清洗掉多余的透化剂后停止加载,之后试剂切换装置310切换到管道B160与装有封闭液的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将封闭液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续加载10秒钟后停止加载,并保持三十分钟,以减少后续染色过程中抗体或染料与样品的非特异结合,之后试剂切换装置310再次切换到管道B160与装有1×PBS缓冲液的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟,清洗掉多余的封闭液后停止加载,之后试剂切换装置310切换到管道B160与装有鸡尾酒荧光染色试剂的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将鸡尾酒荧光染色试剂以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续加载10秒钟后停止加载,并保持六十分钟,以对微孔滤膜装置110中的细胞进行荧光染色染色处理,之后试剂切换装置310再次切换到管道B160与装有1×PBS缓冲液的试剂容器330连通状态,由蠕动泵将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟,清洗掉多余的鸡尾酒荧光染色试剂后停止加载,从完成对微孔滤膜装置110中的细胞的固定、透化、封闭及染色处理。
处理完成的循环肿瘤细胞样品可通过将微孔滤膜装置110从样本预处理***100中分离,并放置在倒置荧光显微镜下进行分析鉴定。
本应用示例中的作业由于避免了频繁的离心清洗步骤,实现了染色分析处理流程的自动化,使该过程所需时间显著缩短,同时也降低了离心清洗过程导致的细胞损失。另一方面,由于微孔滤膜装置110的过滤薄膜面积较小,方便在倒置荧光显微镜下对薄膜上的细胞进行浏览、观察及查找其中的循环肿瘤细胞。微孔滤膜装置110的存在也可在样本预处理***100在进样泵260和试剂缓冲液进样泵420出现非预期的流量波动等情况时少量血液细胞进入管道B160的情况下,将这些血液细胞从微流孔隙中过滤出去。
实施例二
本实施例提供了一种细胞集中分选***,如图4所示,图4为图2所示***的一个较为具体的实施方案,用以说明采用不同类型的构件功能单元时,***的另一种可能的呈现方式。包括预处理***100和第二装置360,其中微流控细胞分选装置120进一步可以为螺旋流道惯性聚焦微流控芯片;螺旋流道惯性聚焦微流控芯片包括多圈呈螺旋设置的流道;流道的一端包含供稀释后的细胞悬液样本输入的入口C,另一端包含出口D;出口D包含至少两个通道,其一通道供靶细胞和缓冲液流出,另一通道供样本废液流出;在一个具体的应用中,流出螺旋流道后的样本废液和过滤回收液流量比可为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1等;
螺旋形的流道的曲率半径为5~9㎜,截面为梯形,内侧深80μm,外侧深130μm,宽600μm。
微孔滤膜装置110的微孔滤膜为直径1.5㎜的圆形,厚度15μm,微孔孔径7μm,规则排列,孔隙率80%。
螺旋流道惯性聚焦微流控芯片对细胞悬液样本进行分流。该分选***采用恒压驱动的方式将样本预处理***100内的细胞悬液样本通过样本进样管路130输送到螺旋流道惯性聚焦微流控芯片。其中输送的开始和截止可由进样阀门370控制。待处理样品容器170中的压力通过进样泵260和稳压装置380调节,该稳压装置380为压力控制器;使样本进样管路130及螺旋流道惯性聚焦微流控芯片中的流量符合分选要求。
图4中,该待处理样品容器170一侧还连接有用于去除待处理样品容器170中气体中的固体颗粒的过滤装置390。该过滤装置390的过滤精度为0.2μm。
经微流控细胞分选装置120处理过的回收液通过管道B160进入微孔滤膜装置110。样本处理完成后靶细胞全部富集在微孔滤膜装置110中后,第二装置360的试剂切换阀270将管道B160的流路切换为与第二装置360连通。
微流控细胞分选装置120还可以是微涡旋微流控细胞分选装置或错流过滤(也称为切向流过滤)芯片等现有技术。
具体地,如图4所示,第二装置360由试剂切换阀270,温度控制***280,以及由试剂320、试剂容器330、试剂进样管路340、试剂注射泵400及第一切换阀410构成的三个试剂加载单元等。该第一切换阀主要用于对细胞进行处理的一种试剂的进样注射泵进样与补充状态的切换;其中试剂注射泵400中的注射容量为1mL,流量控制范围为10~1000μL/min,所有管路均为内径0.5㎜的PEEK管。
当试剂切换阀270将管道B160的流路切换为与第二装置360连通后,三个试剂加载单元分别通过第一切换阀410切换到试剂进样管路340与试剂注射泵400接通状态,将试剂320从试剂容器330通过试剂进样管路340补充到试剂注射泵400的注射器中,之后第一切换阀410切换到管道B160与试剂注射泵400接通状态,从而由试剂注射泵400将试剂加载到微孔滤膜装置110中,从而实现对微孔滤膜装置110中的细胞的固定、透化、封闭、染色、清洗等处理。当加载一些试剂后需要对微孔滤膜装置110中的温度进行控制时,由温度控制***280通过控制管道B160的温度,并经热传导作用改变微孔滤膜装置110中的温度。经过第二装置360处理过的微孔滤膜装置110中的样本可通过从管道B160分离微孔滤膜装置110的方式取出,并在显微镜下进行分析鉴定,或在其它分析设备下对微孔滤膜装置110内的细胞进行分析。由于微孔滤膜装置110的滤膜面积较小,可在显微镜的一个下浏览全部细胞,因此可快速对细胞进行分析,无需配置显微镜移动平台。
如图4所示,该第二装置的另一种具体用途可以是,对去除红细胞的人体外周血中的循环肿瘤细胞进行富集并进行自动化免疫荧光染色前预处理。例如,在待处理样品容器170内加入5毫升1×PBS缓冲液并将容器密闭,关闭进样阀门370,开启进样泵260,并在稳压装置380的作用下将待处理样品容器170内压力调节至0.1兆帕。开启进样阀门370并保持2分钟,使微流控细胞分选装置120及管道A150和管道B160全部充满缓冲液后关闭进样阀门370。将7.5毫升人体外周血进行红细胞裂解后,用1×PBS缓冲液重悬至15毫升,转移至待处理样品容器170内并将待处理样品容器170密闭。再次开启进样泵260,并在稳压装置380的作用下将待处理样品容器170内压力调节至0.085兆帕,使细胞悬液样本以1.7毫升每分钟的流量全部通过微流控细胞分选装置120。微流控细胞分选装置120在惯性聚焦作用和迪恩涡流的作用下,当细胞悬液样本流至螺旋流道末端时,会将循环肿瘤细胞聚集在较浅的流道内侧,并通过回收流道进入管道B160,由微孔滤膜装置110拦截其中的细胞,并将液体成份排入回收液容器200;同时将白细胞和样本中残余的红细胞聚集在较深的流道外侧,并通过废液流道进入管道A150,最终被废液容器190收集。
具体地,三个试剂容器330中分别装有1×PBS缓冲液、固定液4%多聚甲醛和由5%山羊血清、5%FcR封闭试剂、0.4% Triton X-100及0.3M甘氨酸的1×PBS混合溶液构成的透化-封闭预混液。当试剂切换阀270将管道B160的流路切换为与所述第二装置360连通后,首先三个试剂加载单元分别通过第一切换阀410切换到试剂进样管路340与试剂注射泵400接通状态,将试剂320从试剂容器330通过试剂进样管路340补充到试剂注射泵400的注射器中,之后第一切换阀410切换到管道B160与装有1×PBS缓冲液的试剂注射泵接通状态,由该试剂注射泵将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟后停止加载,之后第一切换阀410切换到管道B160与装有固定液4%多聚甲醛的注射泵接通状态,由该试剂注射泵将固定液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续加载10秒钟后停止加载,并保持十分钟,以使细胞充分固定,之后由试剂注射泵再次将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟后停止加载,之后第一切换阀410切换到管道B160与装有透化-封闭预混液的试剂注射泵接通状态,由该试剂注射泵将透化-封闭预混液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续加载10秒钟后停止加载,并保持三十分钟,以对细胞进行破膜透化和封闭处理,之后由试剂注射泵再次将1×PBS缓冲液以0.1毫升每分钟的流量加载到微孔滤膜装置110中,持续清洗2分钟后停止加载,从完成对微孔滤膜装置110中的细胞的固定、透化封闭处理。
处理完成的循环肿瘤细胞样品可通过将微孔滤膜装置110从样本预处理***100中分离,进一步浸泡在装有鸡尾酒荧光染色剂的96孔板中1小时,并通过在1×PBS缓冲液中多次浸洗去除多余染色剂以完成对样本的染色。染色完成的细胞样本可在倒置荧光显微镜下进行分析鉴定。由于进行荧光染色耗时较长,将微孔滤膜装置110分离下来独立染色可在尽量减少手动操作步骤的同时通过多个样本并行处理的方式节约大量的处理时间。
本应用示例中的作业由于避免了频繁的离心清洗步骤,实现了染色分析处理流程的自动化,使该过程所需时间显著缩短,同时也降低了离心清洗过程导致的细胞损失。另一方面,由于微孔滤膜装置110的过滤薄膜面积较小,方便在倒置荧光显微镜下对薄膜上的细胞进行浏览、观察及查找其中的循环肿瘤细胞。
本实施例中,样本预处理***100对样本进行分选富集所用时间在十分钟以内,而第二装置360对富集到的靶细胞进行固定、透化封闭处理虽然比采用离心机清洗的方案节省时间,处理一个样本的流程依然超过45分钟。在需要处理较多的样本时,可通过将样本预处理***100与第二装置360分离并独立运行的方式进行操作。
如图5B所示,该第二装置360可进一步设有多个试剂出口管路480,控制试剂流出的试剂分发控制阀470,试剂分发管路460以及试剂废液回收容器490等;试剂废液回收容器490内容纳从试剂出口管路480中流出的废液500。第二装置360的每个试剂出口管路480都可以套接一个从样本预处理***100分离的带有细胞样本的微孔滤膜装置110,对其中的细胞进行染色相关处理。
具体方法主要包括如图5A所示的不带有第二装置360的样本预处理***100对样本进行分选富集,富集完成后将微孔滤膜装置110从样本预处理***100分离并套接到如图5B所示的独立的第二装置360上。当第二装置360需要同时处理的样本较多时,可在独立的第二装置360上同时套接多个微孔滤膜装置110,通过试剂分发控制阀470来控制对微孔滤膜装置110中的细胞进行试剂加载。加载过程可在所有微孔滤膜装置110套接到第二装置360上后同时进行,即同时打开试剂分发控制阀470,对微孔滤膜装置110中的细胞进行同种试剂的加载,也可分时操作,即在第一个通过样本预处理***100预处理的样本分选处理完成后,将微孔滤膜装置110分离并套接到第二装置360的第一个试剂出口管路480,并开始进行染色前处理,此时与其它试剂出口管路480相连接的试剂分发控制阀470全部处于关闭状态。当第二个通过样本预处理***100预处理的样本分选处理完成后,将微孔滤膜装置110分离并套接到第二装置360的第二个试剂出口管路480,并在第一个样本处于加载某个试剂后的保持状态时,打开与第二个试剂出口管路480相连接的试剂分发控制阀470,进行清洗和试剂加载等操作,并以此类推到三个及三个以上样本的情况。由于保持状态显著长于缓冲液清洗和试剂加载所需时间,因此很容易实现多个样本的分时顺序处理。
实施例三
本发明还包括一种细胞分选方法,应用上述细胞集中分选***;如图6所示,其中,包括以下步骤:
步骤一:将含有靶细胞的细胞悬液样本经样本进样管路引入微流控细胞分选装置中,通过微流控细胞分选装置去除其中主要的非目标颗粒成份;
步骤二:将步骤一中的所述分选后的细胞悬液样本沿固定流道引入微孔滤膜装置中,所述微孔滤膜装置过滤掉部分非目标颗粒成份及废液,同时将所述靶细胞截留在所述微孔滤膜装置内完成分选;
步骤三:将步骤二中含有截留所述靶细胞的所述微孔滤膜装置从所述固定流道分离。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种细胞集中分选***,其特征在于,包括对含有靶细胞的细胞悬液样本进行靶细胞富集的微流控细胞分选装置,和驱动所述细胞悬液样本进入所述微流控细胞分选装置中的第一驱动机构;所述微流控细胞分选装置上设有供样本废液流出的管道A和供所述靶细胞流出的管道B;所述管道B上还设有可与所述管道B分离的过滤所述靶细胞的微孔滤膜装置。
2.根据权利要求1所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述微流控细胞分选装置为确定性侧向偏移微流控芯片;所述确定性侧向偏移微流控芯片包括确定性侧向偏移区域;所述确定性侧向偏移区域的一侧包含入口A,另一侧包含出口B;所述入口A包含至少两个通道,其一通道供所述细胞悬液样本输入,另一通道供缓冲液输入;所述出口B包含至少两个通道;其一通道供所述靶细胞和所述缓冲液流出,另一通道供所述样本废液流出。
3.根据权利要求1所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述微流控细胞分选装置为螺旋流道惯性聚焦微流控芯片;所述螺旋流道惯性聚焦微流控芯片包括多圈呈螺旋设置的流道;所述流道的一端包含供稀释后的所述细胞悬液样本输入的入口C,另一端包含出口D;所述出口D包含至少两个通道,其一通道供所述靶细胞流出,另一通道供所述样本废液流出。
4.根据权利要求1所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述分选***还包括对所述靶细胞进行自动化标记的第二装置;所述第二装置与所述微孔滤膜装置相连通。
5.根据权利要求4所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述第二装置包括温度控制***、试剂切换装置、与所述试剂切换装置连接的至少一个试剂进样管路和驱动所述试剂进样管路中的流体进入所述微孔滤膜装置的第二驱动机构。
6.根据权利要求5所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述第二装置还包括切换所述第二装置中的流体流入所述微孔滤膜装置的试剂切换阀。
7.根据权利要求1所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述微孔滤膜装置包括微孔滤膜和将所述微孔滤膜固定在所述管道B上的环形构件;所述环形构件紧密套设在所述管道B的输出端上。
8.根据权利要求7所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述微孔滤膜的孔径小于所述靶细胞直径。
9.根据权利要求8所述的细胞集中分选***,其特征在于,所述微孔滤膜的孔隙率不小于20%。
10.一种细胞分选方法,应用如权利要求1-9任一所述的细胞集中分选***;其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:将含有靶细胞的细胞悬液样本经样本进样管路引入微流控细胞分选装置中,通过微流控细胞分选装置去除其中主要的非目标颗粒成份;
步骤二:将步骤一中的分选后的所述细胞悬液样本沿固定流道引入微孔滤膜装置中,所述微孔滤膜装置过滤掉部分非目标颗粒成份及废液,同时将所述靶细胞截留在所述微孔滤膜装置内完成分选;
步骤三:将步骤二中含有截留所述靶细胞的所述微孔滤膜装置从所述固定流道分离。
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