CN106957798A - 一种集中捕获的磁分选装置及其分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中捕获的磁分选装置，包括磁芯和屏磁外鞘，磁芯为柱状磁体，磁体的磁极分别位于柱的两端，屏磁外鞘由软磁材料制得，包覆磁芯，仅露出磁芯一个磁极处的端面。该结构的磁分选装置具有装置简单、可产生磁场聚集平面的特点，同时可快速、完全、集中吸附目标样品中的磁性颗粒。

Description

一种集中捕获的磁分选装置及其分选方法

技术领域

本发明涉及一种磁分选装置及其分选方法，尤其涉及一种适用于稀有细胞捕获的磁分选装置及其分选方法。

背景技术

免疫磁性富集是利用细胞表面抗原能与连接有磁珠的特异性单抗相结合，在外加磁场的作用下，通过抗体与磁珠相连的细胞被吸引而滞留在磁场中，而其它细胞因为不带磁性，不能在磁场中停留，从而使细胞得以分离。其中，较具代表性的方法是磁性细胞分选系统(magnetic activated cell sorting system,MACS)，采用免疫磁珠标定胞膜或胞内的细胞抗原，然后通过外磁场来捕获被免疫磁珠标记目标细胞。

循环肿瘤细胞(CTC)是指有原发肿瘤或肿瘤转移灶释放入外周血的肿瘤细胞，在健康人体内极为罕见。根据文献报道，循环肿瘤细胞在恶性肿瘤形成早期即可释放入血。循环肿瘤细胞由原发灶释放进入血液循环，是恶性肿瘤复发和转移的关键步骤。因此，CTC检测被认为是一种新的诊断技术，一项新的预后评价工具、一项有效的恶性肿瘤治疗应当的预测指标，在临床应用中被寄予极高期望。

但是由于CTC细胞在外周血中的含量极少，必须通过富集细胞来提高检测的灵敏度。CTC富集技术中的一种常用方法就是以免疫磁性富集为核心的技术，目前商业化的CTC富集和检测技术，如CellSearch，选用EpCAM磁珠标记CTC并进行磁性筛选，但是其吸附磁珠的磁铁被设置在样品试管外，因此试管内的磁场不均匀，磁场强度随磁场作用距离增加而衰减显著，导致远离磁铁的一端的磁力几乎为零，位于该端的目标细胞容易被漏吸而损失。此外被吸附捕获的细胞需要进一步繁琐的液体浓缩步骤以及转移步骤才能用于下一步的分析和研究。

另一种吸附磁珠的方法是采用插入试管内的磁力棒，磁力棒的底面具有磁性，虽然这种方法可以大大提高磁场吸附效率，但是该方法的缺点是吸附完还要将细胞洗脱才能进行下一步的操作。当磁场无聚集平面时，若采用外鞘洗脱的方法，抽离时外鞘周围的细胞将被完全浪费掉，造成损失及检测的实效。磁场无聚集平面还将造成局部磁场强度的下降，影响吸附能力。此外，较大的吸附表面将使下一步染色和反应过程中的试剂用量大大增加，从而增加了使用成本。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种装置简单，可产生磁场聚集平面，同时可快速、完全、集中吸附磁性粒子的磁分选装置。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种集中捕获的磁分选装置，包括磁芯和屏磁外鞘，所述磁芯为柱状磁体，磁体的磁极分别位于柱的两端。柱形磁铁相较于普通磁体，其磁场强度高且磁场纵深衰减慢，可以显著提高磁性颗粒捕获效率，优选为圆柱状，直径优选为5-10mm。

所述屏磁外鞘由软磁材料制得，包覆所述磁芯，仅露出所述磁芯的一个磁极处的端面。软磁材料具有屏蔽磁场的功能，同时可聚集磁感线，从而将磁芯的磁场全部导向并聚焦至该端面，该端面即为磁性粒子的捕获端面。这一设计的优点是使磁珠标记细胞(磁性粒子)全部集中吸附在捕获端面，而不会非特异性吸附在装置的其他部位。所述屏磁外鞘优选为圆管状，内径适于紧密地包裹所述磁芯，外径优选为10-15mm。

磁芯和软磁外鞘组成磁分选装置的主体结构。

所述磁芯用于提供强磁场，进一步地，所述磁芯由永磁材料、软磁材料或其组合制得。进一步优选为钕铁硼磁铁或电磁铁。

本发明提供的磁分选装置还可进一步包括隔离部，所述隔离部由非磁性材料制成，用于隔离磁芯的端面。进一步地，所述隔离部可为套状的隔离外鞘，一端封口，可直接套于屏磁外鞘露出磁芯的一端。该隔离外鞘具有两个功能：第一是避免该磁分选装置与待测样本的直接接触，从而减少相互的污染；第二是磁分选装置在完成吸附操作后，可以将磁芯抽走而捕获的磁性颗粒不会被磁场带走，通过漂洗，捕获的磁性颗粒更加容易从该隔离外鞘上洗脱下来，方便对捕获的磁性颗粒进行后续研究，包括单细胞操控，细胞培养等。进一步地，隔离外鞘上还可设置固定部，用于与所述屏蔽外鞘固定连接。该固定部用于方便磁芯、屏蔽外鞘及隔离外鞘之间的相互固定，在液体样品中执行吸附操作时，通常需要对其进行旋转移动等操作，此部件使磁分选装置成为一个整体，便于其在液体样品中的运动，并减少由震荡、流体阻力等因素带来的能量损耗。

隔离部还可以为设置于捕获端面外侧的片状的非磁性材料，该片状材料可拆卸，因此，在完成吸附染色等步骤后，可直接将吸附了磁性颗粒的薄片取下置于荧光显微镜下观察计数。

之前的磁分选装置中，由于不存在软磁材料包覆磁体的结构，捕获的磁性颗粒并非存在于单独某个平面上，而是分布于整个或部分磁体周围，当磁性颗粒为稀有细胞如癌细胞时，需要进一步通过染色液或抗体溶液与吸附物进行反应，对于分布范围广的磁分选装置，需要的染色液和抗体溶液量也大大增加，从而使成本急剧上升。因此，结合本发明的磁分选装置，由于软磁材料包覆磁体结构的存在，磁性颗粒如细胞将被浓缩在磁分选装置捕获端面，大大减少了检测成本。此外，本磁分选装置还可直接通过倒置显微镜进行观察，操作简单方便，大大节约了检测时间。

进一步地，所述端面外侧设置有片状的非磁性材料。在完成吸附过程后，磁性粒子直接吸附于该非磁性薄片表面，可直接将该非磁性薄片从磁芯和屏磁外鞘上取下，置于倒置显微镜进行观察。

本发明提供的磁分选装置还可包括插杆，所述插杆被设置于所述磁芯或屏磁外鞘的一端，用于所述磁芯及屏磁外鞘的拿取和抽插。

本发明还提供了包含磁芯和屏蔽外鞘的分选装置的分选方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述磁分选装置插入含有目标磁性颗粒的液体样品中；

2)将所述装置在样品中旋转和/或上下移动来充分吸附目标磁性颗粒，从而完成对目标磁性颗粒的分选。

优选地，所述磁分选装置在样品中的运动由机械带动。

优选地，所述目标磁性颗粒的吸附过程中使用机械装置搅拌液体样品。

本发明还涉及以上磁分选装置在稀有细胞捕获中的应用。

本发明提供的磁分选装置具有以下有益技术效果：

1、采用插入样品中吸附的方式，通过旋转、上下移动达到均匀吸附的目的，避免了现有技术中采用样品外磁铁而产生不均匀磁场和磁场强度严重衰减的问题；

2、本发明通过磁芯、屏蔽外鞘和隔离外鞘的设计将磁性粒子全部集中吸附于捕获端面，减少了目标物质的损失；

3、本发明的磁芯部分采用软体材料包裹的方式，稳定提高了捕获端面磁场的强度，具有更好的吸附效果；

4、本发明分选装置的捕获效率高，且可使目标磁颗粒聚集在一个较小的区域内，非常适合用于生物样品中稀有目标物质，如捕获液体样品中可通过某种特定性质而结合磁性颗粒的成分，尤其是稀有细胞的捕获。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的装置结构示意图。

附图标记：11、磁芯，12、屏磁外鞘，13、隔离外鞘

图2是图1中实施例的安装后的结构示意图。

附图标记：21、磁芯，22、屏磁外鞘，23、隔离外鞘，24、夹具，25、试管

图3是图1中实施例的磁分选装置与市售磁棒的捕获效率对比图。

图4是本发明的另一个较佳实施例的装置结构示意图。

附图标记：31、磁芯，32、屏磁外鞘，33、隔离薄片，34、插杆

图5是图1中实施例用于肿瘤细胞捕获时不同数量肿瘤细胞对应的细胞捕获率。

图6是图1中实施例表面捕获的荧光标记的肿瘤细胞的光学显微镜照片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例中的磁分选装置包括磁芯11、屏磁外鞘12、隔离外鞘13。其中磁芯11为直径为8mm，长33mm的圆柱状钕铁硼磁铁，外部包覆有内径8mm，外径12mm的硅钢管，即屏蔽外鞘12。硅钢管外侧包覆塑料的隔离外鞘13，隔离外鞘长66mm；硅钢管一端与磁铁对齐，露出磁铁的下端面。

由于硅钢管作为软磁材料具有极高的磁导率，因此当将硅钢管覆盖于钕铁硼磁铁周围时，外围的本发散的磁感线将聚集于软磁材料内部，外部磁场强度几乎为0，而起到磁屏蔽的作用，因此软磁材料的周围无法吸附磁性粒子。由于原本发散的磁感线发生偏转被聚集于软磁材料内部，可通过设计软磁材料的形状，使得外部的磁感线偏转至某一平面内富集，进一步将磁性粒子浓缩在此平面内。永磁铁与软磁材料的这种组合可以最大限度的将磁体原本放射性分布的磁场全部偏转向露出的端面，同时提高了聚集处的磁场强度，本实施例中的结构即可实现此种功能，用于富集磁性粒子的捕获平面即为露出磁铁的下端面。

此外，塑料隔离外鞘保证了磁性粒子不直接与磁芯接触，该隔离外鞘可拆卸可更换，避免了直接接触带来的污染，同时在洗脱步骤时无磁力干扰，便于吸附物的洗脱。对于本实施例，由于为逐层包覆的结构，屏蔽外鞘的管壁外侧无磁场，因此无法吸附磁性粒子，实际使用时，磁性粒子将聚集于塑料隔离外鞘下端，当撤走磁芯时，磁性粒子如无表面吸附作用或剩磁作用将直接由于重力作用落下，即使存在上述干扰作用力，仅需简单的清洗即可将底部的磁性粒子洗脱，操作简单方便。

塑料隔离外鞘上部还设置有固定部，用于将塑料隔离外鞘固定于屏蔽外鞘上，从而，当执行吸附操作时，由于夹具与屏蔽外鞘固定，使用时仅需施加作用力于夹具即可使整个磁分选装置在样品中旋转或上下移动，从而完成对目标磁性颗粒的分选步骤。

如图2所示，本实施例的磁分选装置包括磁芯21、屏蔽外鞘22及隔离外鞘23，该装置可安装在夹具24上，便于通过机械装置驱动其在溶液中移动和旋转。此外，可将该实施例的磁分选装置连同夹具置于试管25中保存。夹具以及试管的形状均可根据实际的机械装置进行尺寸、形状上的调整。

图3给出了该磁分选装置设计与现有市场上销售的类似磁棒的对肿瘤细胞的捕获效能比较。目前市场上销售的用于磁珠捕获实验的磁棒其组成部分为：磁芯和塑料外鞘。与本发明的区别是没有屏磁外鞘。因此目前市售的磁棒其磁场是不可控，会产生非特异性捕获。其次，通过细胞掺入实验的验证，我们发现，在同样捕获时间内，市售磁棒的捕获效能显著低于本发明。

实施例2

如图4所示，本实施例中的磁分选装置包括磁芯31、屏蔽外鞘32、隔离薄片33及插杆34。磁芯31为直径为6mm，长22mm的圆柱状钕铁硼磁铁，外部包覆有内径6mm，外径10mm的硅钢管，即屏蔽外鞘32。屏蔽外鞘的下端与磁芯下端面平齐，隔离薄33片为玻璃薄片，固定在下端面处。屏蔽外鞘上部与插杆34固定连接，可通过插杆抽拔或旋转整个装置。

实际使用时，待磁性颗粒吸附完成时，磁性颗粒将聚集于捕获平面上，即隔离薄片的下端面上，此时可将磁分选装置倒置后直接将隔离薄片取下，置于显微镜上观察，由于使用透明的玻璃薄片，便于使用透射模式进行观察。

实施例3

本实施例使用实施例1中给出的磁分选装置进行SKBR-3细胞掺入实验。

在健康人全血中掺入预先荧光标记好的SKBR-3肿瘤细胞系，数量分别为20个，60个，150个细胞。使用实施例1中的磁分选装置在血液中吸附1小时，显微镜下观察被磁性捕获的细胞，如图5所示，平均细胞捕获率分别为96.57％，98.13％，99.39％。

图6给出了磁分选装置捕获的细胞的显微镜照片。其中左图为10倍显微镜下捕获的细胞，右图是左图中左边细胞在20倍镜头下的放大照片。

实施例4

本实施例提供了一种使用图1中的磁分选装置分选特定稀有细胞的方法，包括步骤：

1)在预处理过的血液样品中加入免疫磁珠，结合目标稀有细胞；

2)将带有隔离外鞘的磁分选装置插入上述血液样品中；

3)通过夹具带动整个磁分选装置，使装置在样品中缓慢而轻柔地旋转(包括公转和自转)及上下移动来充分吸附结合有免疫磁珠的目标稀有细胞；

4)将吸附完成的磁分选装置取出，先插入缓冲液中，通过缓慢而轻柔地旋转及上下移动来清洗多余的杂质，然后插入细胞染色液中，通过缓慢而轻柔地旋转及上下移动来确保充分染色；

5)将染色完成的磁分选装置移入后续细胞计数或分析的装置中，将塑料隔离外鞘底部对准计数或分析装置的光路，抽出内部磁芯及屏蔽外鞘仅留下塑料隔离外鞘以供计数或分析研究。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种集中捕获的磁分选装置，其特征在于，包括磁芯和屏磁外鞘，所述磁芯为柱状磁体，磁体的磁极分别位于柱的两端，所述屏磁外鞘由软磁材料制得，包覆所述磁芯，仅露出所述磁芯一个磁极处的端面。

2.如权利要求1所述的磁分选装置，其特征在于，所述磁芯由永磁材料、软磁材料或其组合制得。

3.如权利要求1所述的磁分选装置，其特征在于，还包括隔离部，所述隔离部由非磁性材料制成，用于隔离所述磁芯的端面。

4.如权利要求3所述的磁分选装置，其特征在于，所述隔离部为套状的隔离外鞘。

5.如权利要求3所述的磁分选装置，其特征在于，所述隔离部为设置于所述端面外侧的片状的非磁性材料。

6.如权利要求4所述的磁分选装置，其特征在于，所述隔离外鞘上设置有固定部，用于与所述屏蔽外鞘固定连接。

7.如权利要求1所述的磁分选装置，其特征在于，还包括插杆，所述插杆被设置于所述磁芯或屏磁外鞘的一端，用于所述磁芯及屏磁外鞘的拿取和抽插。

8.一种如权利要求1-7所述的磁分选装置的分选方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述磁分选装置插入含有目标磁性颗粒的液体样品中；

2)将所述装置在样品中旋转和/或上下移动来充分吸附目标磁性颗粒，从而完成对目标磁性颗粒的分选。

9.权利要求1-7中任一项所述的磁分选装置在稀有细胞捕获中的应用。