CN103298546A - 用于细胞过滤的方法和系统 - Google Patents

Abstract

在本申请中公开的方法和系统包括：膜状过滤器；以及方法和系统，这些方法和系统采用这些膜状过滤器，将循环肿瘤细胞和其它异常细胞与诸如血液之类的生物流体隔离。所公开的方法和系统使用膜状过滤器，这些膜状过滤器包括小的带锥度的孔眼的图案或阵列，这些小的带锥度的孔眼构造在比较薄但机械牢固的聚合材料内，该聚合材料在生物溶液的过滤期间耐受生物溶液成分的积累，并且耐受堵塞。

Description

用于细胞过滤的方法和系统

对于相关申请的相互参考

本申请要求在2010年11月11日提交的临时申请No.61/412,741的利益。

技术领域

本申请涉及血液和其它生物流体的分析，具体地说，本申请涉及用来将循环肿瘤细胞和其它特定类型的细胞与血细胞和其它这样的生物溶液成分分离的膜过滤方法和系统。

背景技术

在过去60年，为了理解和开发对于各种类型的细胞-增殖疾病（这些细胞-增殖疾病一般称作“癌症”）的有效治疗和预防措施，已经花费了大量研究努力。尽管在这个复杂科学问题的多个领域和方面已经取得重大进步，并且尽管在在某些情况下，已经产生某些类型癌症的治疗的惊人改进，但癌症仍然是死亡的主要原因之一，特别是在老年人群中，并且癌症的治疗仍然占健康护理总费用的非常大比例。

各种类型的癌症是复杂的疾病，这些复杂疾病表现为贯穿有机体的不受控制的细胞增殖和细胞增殖的扩散，包括肿瘤部位扩散。在称作“肿瘤”的局部化增殖性组织的情况下，细胞增殖贯穿有机体扩散的过程称作“转移”。随着包含组织分子的信息的高通量基因组分析和特征化，以及用来识别导致癌症的细胞的遗传、代谢以及其它生理变化的方法的出现，在理解各种类型的癌症如何产生和发展方面，正在取得快速的进步。然而，旨在理解各种类型癌症的分子生物学和细胞生物学的研究技术常常很昂贵，涉及用于分析的显著时间段，常常在特定癌症已经发展到致命疾病之后进行，而且这些方法常常是对于从患者获得的组织进行的。在诊断和治疗癌症时涉及的诊断医师和临床人员继续寻求用来探测癌症和监视在患者体内癌症发展的方法，以便施加治疗而减缓或防止各种类型癌症发展到衰弱和致命阶段。

发明内容

在本申请中公开的方法和系统包括：膜状过滤器；以及方法和系统，这些方法和系统采用这些膜状过滤器以将循环肿瘤细胞和其它异常细胞与诸如血液之类的生物流体隔离。所公开的方法和系统使用膜状过滤器，这些膜状过滤器包括小的带锥度的孔眼的图案或阵列，这些小的带锥度的孔眼构造在比较薄但机械性能牢固可靠的聚合材料内，该聚合材料在生物溶液的过滤期间耐受生物溶液成分的积累，并且耐受堵塞。

附图说明

图1示出一种简单过滤系统，这种简单过滤系统可以与代表本申请一个实施例的膜状过滤器一起用作过滤系统，该过滤系统用来从血液中滤除和隔离循环肿瘤细胞，并且用来从血液和其它类型的生物物质中滤除和隔离其它类型的细胞。

图2示出玻璃圆筒的下部接头、空心适配器的互补接头以及盘形膜状过滤器的放大视图，该盘形膜状过滤器夹持在图1中所示的设备中的两个接头之间。

图3示出PEEK的化学结构。

图4A-C示出用来隔离循环肿瘤细胞的膜状过滤器的一个实施例。

图5A-B示出在用来隔离循环肿瘤细胞的膜状过滤器的经显微加工的孔眼的阵列内的经显微加工的孔眼。

图6A-C示出另一种类型的过滤器外壳，该过滤器外壳可以与具有带锥度的孔眼的膜状过滤器一同使用，以便从血液和其它生物流体中抽取循环肿瘤细胞（“CTC”）。

图7A-B示出又一种类型的系统，该系统用来将膜状过滤器支承在外壳内，以促进使生物流体或其它含CTC的流体通过过滤器。

具体实施方式

图1示出一种简单过滤系统，这种简单过滤系统可以与在当前申请中公开的膜状过滤器一起用作过滤系统，该过滤系统用来从血液中滤除和隔离循环肿瘤细胞，并且用来从血液和其它类型的生物物质中滤除和隔离其它类型的细胞。生物物质被倾注到或滴到圆柱形玻璃筒102中。玻璃筒102具有下部磨口玻璃接头104，该下部磨口玻璃接头104与下部空心圆柱形适配器108的类似接头106相匹配。盘形膜状过滤器放置在玻璃筒102的接头104和适配器108的接头106的接合部，并且适配器和圆筒被夹持在一起，以密封适配器和玻璃圆筒，并且从玻璃圆筒的嘴口到圆柱形适配器的端部形成单个流体腔室，使膜状过滤器阻塞生物溶液从玻璃圆筒102到圆柱形适配器108的流动。

当将比较适中的真空施加到管110上时，将生物溶液从玻璃圆筒穿过膜状过滤器抽吸到烧瓶112中，该管110安装到蒸馏烧瓶112上，玻璃圆筒和适配器经橡胶塞114安装到该蒸馏烧瓶112上。因为循环肿瘤细胞（“CTC”）比在血液中存在的红细胞和其它细胞大，而且形状与它们不同，所以CTC保留在膜状过滤器的玻璃圆筒侧，而非CTC细胞和其它溶液成分穿过膜状过滤器进入烧瓶中。在生物溶液的过滤之后，可以将过滤器从设备除去，可以通过各种染色方法对CTC细胞进行染色以便获得较高的可见度和对比度，而且可以在显微镜下对过滤器进行检查，以对CTC进行识别、计数和特征化。可选择地，可以将CTC从过滤器冲洗到分析溶液中，然后可以对该分析溶液进行分析，以通过各种方法对CTC进行计数和特征化。通过这种比较便宜、可靠而又容易实现的过程，在诊断和临床环境中，可以容易地确定在血液样本中的CTC的存在和浓度。用来过滤和隔离CTC的膜状过滤器可以被包括到在临床化验室中的自动分析仪器中，这些自动分析仪器并行地用于多种不同样本溶液的自动分析。在这样的自动仪器中，CTC在第一过滤步骤中可以被隔离，在第二步骤中从膜状过滤器冲洗到分析溶液中，然后被自动地冲洗和清洁，为下次样本溶液分析做好准备。

图2示出的是玻璃圆筒的下部接头、空心适配器的互补接头以及盘形膜状过滤器的放大视图，该盘形膜状过滤器夹持在图1中所示的设备中的两个接头之间。各种各样的过滤器外壳、支架以及密封系统可以用来将过滤器202安装成，跨过在各种不同类型的过滤装置和系统中的流动通道。

用来构造膜状过滤器的聚合材料可以确定过滤器对于各种类型的分析过程和对于各种类型的生物溶液的适应性和适用性。在过去几年，在各种类型的膜状过滤器中已经尝试了多种不同类型的聚合材料，包括聚乙烯、帕利灵（parylene）以及其它类型的聚合物。然而，这些先前尝试过的聚合材料由于各种原因已经被证明是不适当的。在某些情况下，这些聚合材料不提供足够的机械强度和对于磨损和损坏的耐受性，并且在其它情况下或额外地，这些聚合材料可能对于在过滤期间的生物物质的积累敏感，并且可能对于微孔的堵塞敏感。

本申请的某些实施例对于膜状过滤器采用聚合物聚醚醚酮（“PEEK”）。图3示出PEEK的化学结构。PEEK过滤器是耐撕裂和耐磨损的，可以被精确地显微加工以形成精确地限定的微小孔眼，在过滤过程期间高度地耐受生物组织、材料以及其它溶液成分的积累，并且耐受堵塞。本申请的一些可选择实施例包括由其它类型的聚合物制造的过滤器，这些过滤器在过滤过程期间耐受生物组织、材料以及其它溶液成分的积累，耐受堵塞，并且为具体过滤用途提供足够的机械强度。

图4A-C示出用来隔离循环肿瘤细胞的膜状过滤器的一个实施例。图4A示出了盘形膜状过滤器402，该盘形膜状过滤器402在图2中也表示成过滤器202。盘形过滤器包括PEEK薄膜，该PEEK薄膜具有微小孔眼的中央阵列404。图4B是在图4A中所示的微小孔眼阵列404的更大比例的、更为详细的视图。微小孔眼阵列404包括规则的、经显微加工的孔眼的大量行，如行406。图4C按更大比例示出在图4A-B中所示的微小孔眼阵列404的各行中的一行。行408包括一系列规则地相间隔的、并且规则地成形和定尺寸的孔眼，如孔眼410。

图5A-B示出在用来隔离循环肿瘤细胞的膜状过滤器的经显微加工的孔眼的阵列内的经显微加工的孔眼。如图5A所示，各经显微加工的孔眼是槽状孔眼502，在一个实施例中，该孔眼具有六μm的宽度和40μm的长度。经显微加工的孔眼是带锥度的，如在图5A中由虚轮廓线504指示的那样，该虚轮廓线504代表在膜状过滤器的下部表面上的孔眼的开口，而实线孔眼502代表在膜状过滤器的顶部表面上的经显微加工的孔眼的顶部开口。经显微加工的孔眼的锥度在图5B中可选择地示出。孔眼的较小尺寸开口位于过滤器的顶部上，该顶部暴露于被分析的生物溶液，而较大尺寸开口在膜状过滤器的底部处，该底部定位成与烧瓶或其它容器或腔室（过滤的生物溶液通到该烧瓶或其它容器或腔室中）相邻。由于锥度，穿过孔眼的血细胞和其它生物溶液成分不大可能或不可能积累和堵塞孔眼。

图6A-C示出另一种类型的过滤器外壳，该过滤器外壳可以与具有带锥度的孔眼的膜状过滤器一同使用，以便从血液和其它生物流体中抽取CTC。图6A示出了膜状过滤器602，该膜状过滤器602定位在下部过滤器外壳元件604上方。下部过滤器外壳元件包括盘状平台606，该盘状平台606与对称轴线近似正交，在该盘状平台606中，丝网、格栅、穿孔阵列或其它多孔支架608已被加工或制作成能够提供从在盘形支承平台606的上表面上方的区域到在套筒610内的空心内部通道的流体连通，该空心内部通道在支架下面沿对称轴线延伸。如图6B所示，膜状过滤器602放到多孔支架上，并且如图6C所示，将上部过滤器外壳元件612与下部过滤器外壳元件604接合，以形成不渗透流体的环形密封，该环形密封包围在内部体积（该内部体积由相接合的各过滤器外壳元件形成）内的膜状过滤器。两-元件过滤器外壳包括上部管状套筒和下部管状套筒，该上部管状套筒引导到膜状过滤器/多孔支承结构，含CTC的流体在箭头616和618的方向上通过静压力或泵吸可推到该下部管状套筒，导致CTC的过滤，使CTC保持在膜状过滤器的上表面上。可选择地，生物流体或其它含CTC的流体可以从下面由真空抽吸或基于表面张力的虹吸而被抽过过滤器外壳和膜状过滤器。过滤器外壳的两个元件由一个或更多个夹具、薄密封剂边沿、及/或由各种其它固定装置中的任一种和固定装置的组合固定到位。一般而言，支架608包括孔眼，这些孔眼具有的直径或面积大于膜状过滤器的带锥度的孔眼的下部开口的对应直径或面积、但小得足以适当支承膜状过滤器，以便当施加压力以将生物流体或其它含CTC的流体驱动过膜状过滤器时，防止膜状过滤器的撕裂或扭曲。

图7A-B示出又一种类型的系统，该系统用来将膜状过滤器支承在外壳内，以促进使生物流体或其它含CTC的流体通过过滤器。如图7A所示，这个可选择的外壳的下部部分是玻璃或塑料漏斗702、或由另一种刚性材料制成的漏斗，该刚性材料对于含水介质是不渗透的。如图7B所示，将圆柱形外壳704安装到漏斗的敞开端部上，圆柱形外壳包括支架（在图7B中未示出），该支架与在图6A中的支架608相似，在该支架上方，已经定位膜状过滤器706。在某些情况下，膜状过滤器可以由环形特征牢固地保持到位，这些环形特征模制或加工到圆柱形外壳的内壁中，当将圆柱形外壳安装到漏斗上时，这些环形特征将膜状过滤器固定到支架上。

尽管如上文述及那样，PEEK是有吸引力的用以制造膜状过滤器的聚合物，但代替PEEK或除PEEK之外，可以可选择地采用其它类型的聚合物或聚合物配方，这些聚合物或聚合物配方被修改成用以产生PEEK过滤器的耐撕裂性和耐磨损性、以及PEEK对于生物组织、材料以及其它溶液成分的积累的耐受性。这些可选择聚合物包括聚碳酸酯聚合物、聚酯聚合物、聚酰胺聚合物以及聚偏氟乙烯聚合物。膜状过滤器可以由各种聚合物的组合制成，可以由在有机或无机材料中嵌入的聚合物制成，并且可以由其它刚性或顺应性薄膜制成，在这些刚性或顺应性薄膜中，可以形成或加工出带锥度的孔眼。

尽管已经参照具体实施例描述了本发明，但本发明并非局限于这些实施例。修改对于本领域的技术人员将是显然的。例如，作为本申请的可选择实施例，可以生产多种不同大小和形状的膜状过滤器。经显微加工的孔眼的阵列可以是正方形、矩形、盘状，或具有其它这样的形状，并且可以包括各种不同形状和大小的经显微加工的孔眼的各种不同数量的行和列的任一种。在全部情况下，经显微加工的孔眼都是带锥度的，如参照图5A-B论述的那样。代表本申请的实施例的膜状过滤器可以由激光钻削过程加工，在这些激光钻削过程加工中，通过聚焦透镜聚焦的光的角度产生合意的锥度。代表本申请的实施例的膜状过滤器，依据成本约束、对于机械刚性的要求、合意的流量特性以及其它这样的参数，可以具有150μm、125μm、100μm、50μm、25μm的厚度、或各种其它厚度，并且可以包括PEEK薄膜、或包括其它聚合材料的薄膜或基片，这些聚合材料在过滤过程期间耐受生物组织、材料以及其它溶液成分的积累，这些聚合材料耐受堵塞，并且这些聚合材料为具体过滤用途提供足够的机械强度。在示范过滤器中的带锥度的孔眼具有近似六μm的宽度和近似40μm的长度，提供240μm的孔眼面积。在一些可选择过滤器中，带锥度的孔眼具有的孔眼面积可以是：小于50μm；50μm至100μm；100μm至150μm；150μm至200μm；或200μm至250μm。在某些过滤器中，孔眼的尺寸和面积可以落在各种尺寸和大小的范围内。引入到膜状过滤器中的孔眼的图案可以是栅格状的，包括特征为正方形和矩形元素的栅格状图案、以及其中轴线不垂直并因而产生各种类型的平行四边形元素的栅格状图案，包括具有六边形对称性的栅格。可选择地，孔眼可以密集地但随机地定位，并且可以按螺旋图案、半径递增的多个圆环的图案、或按多种其它图案定位。带锥度的孔眼的锥度可以随膜状过滤器的不同厚度和随具体类型的材料（膜状过滤器由该材料制成）的表面性质而变化。在某些情况下，膜状过滤器可以由薄的、刚性的或半刚性的有机或无机薄膜和无机材料制造。

应认识到，所公开的实施例的以上描述是用以使本领域的任何技术人员能够实现和使用本公开。对于这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且这里定义的一般原理可以应用于其它实施例，而不脱离本公开的精神或范围。因而，本公开并非限于这里所示的实施例，而是要符合与这里公开的原理和新颖特征相一致的最宽广范围。

Claims (20)

1.一种膜状过滤器，包括：

过滤器，所述过滤器在过滤过程期间耐受生物组织、材料以及其它溶液成分的积累，所述过滤器耐受堵塞，并且所述过滤器提供足够的机械强度以耐受在施加到通过所述过滤器的含循环肿瘤细胞的流体上的流体压力下的磨损和撕裂；以及

带锥度的微小孔眼的阵列。

2.根据权利要求1所述的膜状过滤器，其中，所述过滤器包括聚醚醚酮聚合物薄膜，所述聚醚醚酮聚合物薄膜包括带锥度的微小孔眼的阵列。

3.根据权利要求1所述的膜状过滤器，其中，所述带锥度的微小孔眼的阵列的带锥度的微小孔眼具有的孔眼面积选自如下选项：

小于50μm范围内的孔眼面积；

在50μm至100μm范围内的孔眼面积；

在100μm至150μm范围内的孔眼面积；

在150μm至200μm范围内的孔眼面积；以及

在200μm至250μm范围内的孔眼面积。

4.根据权利要求1所述的膜状过滤器，其中，所述过滤器包括如下选项中的一种或更多种：

聚碳酸酯聚合物；

聚酯聚合物；

聚酰胺聚合物；

聚偏氟乙烯聚合物；

无机化合物或物质；以及

小分子有机化合物或物质。

5.根据权利要求1所述的膜状过滤器，其中，所述过滤器具有的厚度范围是如下选项之一：

小于25μm；

小于50μm；

小于100μm；

小于125μm；以及

小于150μm。

6.根据权利要求1所述的膜状过滤器，其中，所述过滤器具有的大小和形状设计成用以覆盖在过滤器外壳或过滤器保持器内的多孔支架，从而引入到所述过滤器外壳中的流体或者穿过所述带锥度的孔眼流入所述多孔支架中，或者从所述多孔支架流到所述带锥度的孔眼中，但不绕过所述过滤器流动。

7.根据权利要求1所述的膜状过滤器，其中，每一个带锥度的孔眼具有较大面积孔眼和较小面积孔眼，所述较大面积孔眼通到所述过滤器的第一侧，所述较小面积孔眼通到所述过滤器的第二侧，所述较大面积孔眼和所述较小面积孔眼的相对面积取决于在所述带锥度的孔眼内的锥度和所述过滤器的厚度。

8.根据权利要求7所述的膜状过滤器，其中，所述过滤器用来过滤含循环肿瘤细胞的流体，所述含循环肿瘤细胞的流体引导到所述第一侧，并且通过所述带锥度的孔眼，以从所述第二侧离开。

9.一种循环肿瘤细胞隔离装置，包括：

第一过滤器外壳元件，含循环肿瘤细胞的流体引导到所述第一过滤器外壳元件中；

过滤器，所述过滤器在过滤过程期间耐受生物组织、材料以及其它溶液成分的积累，所述过滤器耐受堵塞，所述过滤器提供足够的机械强度以耐受在施加到通过所述过滤器的含循环肿瘤细胞的流体上的流体压力下的磨损和撕裂，并且所述过滤器包括带锥度的微小孔眼的阵列；以及

第二过滤器外壳元件，所述第二过滤器外壳元件当与所述第一过滤器外壳元件联接时形成不渗透流体的过滤腔室，所述过滤器牢固地定位在所述过滤腔室中，所述过滤腔室包括第一过滤腔室和第二过滤腔室，所述第一过滤腔室与所述过滤器的第一正面相邻，所述第二过滤腔室与所述过滤器的第二侧相邻，所述第一过滤腔室通过在所述过滤器内的带锥度的孔眼与所述第二过滤腔室流体连通。

10.根据权利要求9所述的循环肿瘤细胞隔离装置，其中，所述带锥度的微小孔眼的阵列的带锥度的微小孔眼具有的孔眼面积选自如下选项：

在小于50μm范围内的孔眼面积；

在50μm至100μm范围内的孔眼面积；

在100μm至150μm范围内的孔眼面积；

在150μm至200μm范围内的孔眼面积；以及

在200μm至250μm范围内的孔眼面积。

11.根据权利要求9所述的循环肿瘤细胞隔离装置，其中，所述过滤器包括如下选项中的一种或更多种：

聚醚醚酮聚合物；

聚碳酸酯聚合物；

聚酯聚合物；

聚酰胺聚合物；

聚偏氟乙烯聚合物；

无机化合物或物质；以及

小分子有机化合物或物质。

12.根据权利要求9所述的循环肿瘤细胞隔离装置，其中，所述过滤器具有的厚度范围是如下选项之一：

小于25μm；

小于50μm；

小于100μm；

小于125μm；以及

小于150μm。

13.根据权利要求9所述的循环肿瘤细胞隔离装置，其中，所述过滤器具有的大小和形状设计成用以覆盖位于所述过滤腔室内的多孔支架，从而引导过所述过滤腔室的流体或者穿过所述带锥度的孔眼流入所述多孔支架中，或者从所述多孔支架流到所述带锥度的孔眼中，但不绕过所述过滤器流动。

14.根据权利要求9所述的循环肿瘤细胞隔离装置，

其中，每一个带锥度的孔眼具有较大面积孔眼和较小面积孔眼，所述较大面积孔眼通到所述过滤器的第一侧，所述较小面积孔眼通到所述过滤器的第二侧，所述较大面积孔眼和所述较小面积孔眼的相对面积取决于在所述带锥度的孔眼内的锥度和所述过滤器的厚度；并且

其中，所述过滤器用来过滤含循环肿瘤细胞的流体，所述含循环肿瘤细胞的流体引导到所述第一侧，并且通过所述带锥度的孔眼，以从所述第二侧离开。

15.一种用来隔离循环肿瘤细胞的方法，所述方法包括：

制备含循环肿瘤细胞的流体；

使所述含循环肿瘤细胞的流体通过过滤器，所述过滤器在过滤过程期间耐受生物组织、材料以及其它溶液成分的积累，所述过滤器提供足够的机械强度以耐受在施加到通过所述过滤器的含循环肿瘤细胞的流体上的流体压力下的磨损和撕裂，所述过滤器耐受堵塞，并且所述过滤器包括带锥度的微小孔眼的阵列；以及

对保持在所述过滤器的表面上的CTC细胞进行染色，并且在显微镜下对所述CTC细胞进行检查，以对所述CTC进行识别、计数以及特征化，或者将所述CTC从所述过滤器冲洗到分析溶液中，并且对所述分析溶液进行分析，以对所述CTC进行计数和特征化。

16.根据权利要求17所述的方法，其中，所述带锥度的微小孔眼的阵列的带锥度的微小孔眼具有的孔眼面积选自如下选项：

在小于50μm范围内的孔眼面积；

在50μm至100μm范围内的孔眼面积；

在100μm至150μm范围内的孔眼面积；

在150μm至200μm范围内的孔眼面积；以及

在200μm至250μm范围内的孔眼面积。

17.根据权利要求17所述的方法，其中，所述过滤器包括如下选项中的一种或更多种：

聚醚醚酮聚合物；

聚碳酸酯聚合物；

聚酯聚合物；

聚酰胺聚合物；

聚偏氟乙烯聚合物；

无机化合物或物质；以及

小分子有机化合物或物质。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述过滤器具有的厚度范围是如下选项之一：

小于25μm；

小于50μm；

小于100μm；

小于125μm；以及

小于150μm。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述过滤器具有的大小和形状设计成用以覆盖在过滤器外壳或过滤器保持器内的多孔支架，从而引入到所述过滤器外壳中的流体或者穿过所述带锥度的孔眼流入所述多孔支架中，或者从所述多孔支架流入所述带锥度的孔眼中，但不绕过所述过滤器流动。

20.根据权利要求17所述的方法，

其中，每一个带锥度的孔眼具有较大面积孔眼和较小面积孔眼，所述较大面积孔眼通到所述过滤器的第一侧，所述较小面积孔眼通到所述过滤器的第二侧，所述较大面积孔眼和所述较小面积孔眼的相对面积取决于在所述带锥度的孔眼内的锥度和所述过滤器的厚度；并且

其中，所述过滤器用来过滤含循环肿瘤细胞的流体，所述含循环肿瘤细胞的流体引导到所述第一侧，并且通过所述带锥度的孔眼，以从所述第二侧离开。

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