CN112891659A - 一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置及其使用方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置及其使用方法和应用。所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置包括：磁珠存储单元，包括磁珠储藏室和第一注液器具，所述磁珠储藏室与第一注液器具单向联通；血液循环单元，包括双腔静脉导管和第二注液器具，所述双腔静脉导管与穿戴主体相连，并与第二注液器具单向联通；吸附单元，包括用于吸附磁珠的磁性芯片。将磁珠和血液同时泵入磁性芯片进行混合，磁珠和血液均相接触，磁珠捕获到循环肿瘤细胞并在磁力作用下滞留在芯片内，被处理过的血液可通过双腔静脉导管回到人体，从而实现体内血液的循环捕获；该装置具有较高的循环肿瘤细胞捕获效率，为肿瘤的进一步研究或预后分析提供了基础。

Description

一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置及其使用方法和应用
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置及其使用方法和应用。
背景技术
循环肿瘤细胞(Circulating tumor cells，CTCs)是自发或因诊疗操作由实体瘤或转移灶释放进入外周循环的一类肿瘤细胞。血液中CTCs的分离和检测的主要挑战是它们的浓度极低(低于100个细胞/mL)。CTCs的富集有利于癌症的诊断和治疗，在癌症患者中，如转移性乳腺癌和结直肠癌患者，CTCs的数量已成为无进展生存期和总生存期的重要预测指标，CTCs数量越多，患者生存期越短。因此，清除CTCs对于降低肿瘤转移潜能至关重要，如果在肿瘤早期实施CTCs清除，甚至可以预防转移的发生，最终改善患者预后。
手术切除或放化疗对于外周血中的CTCs无能为力，反而会降低机体免疫力，加速CTCs的转移扩散。而且，具有靶向肿瘤转移特征的新型肿瘤的疗法，如血管生成、淋巴管生成、特定信号通路或生物标记物等，已被报道获得了理想的临床结果，但它们通常对CTCs无效。
因此，研究者已经开发了一系列不同的技术来实现CTCs的富集，大多数技术可分为无标记和基于亲和的CTCs分离。例如，研究人员报道了在微流体通道内的抗体功能化微柱中分离CTCs，并研究分析了各种各样的微柱几何形状，以提高CTC捕获效率。虽然这些微流体系统可以从外周血中捕获和分离CTC，但它们基于光刻技术的制造过程是复杂和耗时的。此外，体外的富集方法通常仅使用5-10mL的血样进分离，5-10mL血液仅占人体血液总量的0.1-0.2％，含有极少量CTCs，在癌症早期或复发患者中可能会出现假阴性结果，并且无法针对整体外周血中的CTCs进行富集。血液透析术可处理数升的血液，但存在急性并发症与远期并发症的风险，不适用于早期肿瘤患者外周血中CTCs的分离。
因此，有必要对现有的液体活检技术进行优化，实现对大体积血液中CTCs安全、便捷地分离。
Nagrath等于2019年报道了一种可循环捕获人体整个全血中CTC的装置，该装置核心是个微流控芯片，表面修饰了抗EpCAM的抗体，利用蠕动泵抽取外周血进入芯片，血液流过芯片表面，血液里面的循环肿瘤细胞会被芯片表面的抗EpCAM的抗体捕获，芯片流出的血液继续回到人体从而实现循环捕获和体内清除循环肿瘤细胞(详见A temporaryindwelling intravascular aphaeretic system for in vivo enrichment ofcirculating tumor cells，NATURE COMMUNICATIONS，(2019)10:1478)。但是该芯片十分复杂，流量过小，效率十分底下，2小时只能流过人体1-2％的血液，如果要实现全身血液清除，要200个小时左右，这个对临床病人来说几乎很难实现。而且血液流过芯片表面是一个液相和固相反应，导致捕获效率也受到限制。
因此，如何开发新型的方法实现CTCs体内高效的靶向清除，改善肿瘤预后，是本领域急需解决的另一个关键问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置及其使用方法和应用，所述装置能够循环捕获血液中的循环肿瘤细胞，实现循环肿瘤细胞的富集和清除，且所需时间短，处理量大，对于肿瘤的预防和肿瘤患者的预后监测具有重要的意义。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置包括：
磁珠存储单元，包括磁珠储藏室和第一注液器具，所述磁珠储藏室与第一注液器具单向联通；
血液循环单元，包括双腔静脉导管和第二注液器具，所述双腔静脉导管与穿戴主体相连，并与第二注液器具单向联通；
吸附单元，包括用于吸附磁珠的磁性芯片；
所述磁珠存储单元、血液循环单元和吸附单元通过导管相连。
本发明提供的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置结构简单，包括磁珠存储单元、血液循环单元和吸附单元。磁珠从磁珠储藏室流出，进入第一注液器具，且磁珠不能回流，穿戴主体体内的血液流入双腔静脉导管并存储于第二注液器具中；借助外力同时将磁珠和双腔静脉导管中流出来的血液泵入磁性芯片进行混合，磁珠捕获到循环肿瘤细胞，并在磁力作用下滞留在芯片内，多余没有捕获到肿瘤细胞的磁珠也会滞留在芯片内，不会回到人体，而被处理过的血液可通过双腔静脉导管回到人体，从而实现体内血液的循环捕获。
本发明中，所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置使液相中的磁珠和血液中的循环肿瘤细胞均相接触，进行反应，具有更高的循环肿瘤细胞捕获效率，能够快速处理大量血液样本，且磁珠不论是否结合循环肿瘤细胞都会滞留在芯片内，被处理过的血液实现了循环，对患者来说接受程度高，伤害较小。
本发明中，磁珠存储单元、血液循环单元和吸附单元可以以多种形式进行连接，连接件的选择也多种多样。
作为本发明优选的技术方案，所述磁性芯片通过第一导管和第三导管与磁珠存储单元相连。
优选地，所述第一导管上设置有单向阀和/或泵。
优选地，所述第一导管、第一注液器具和磁珠储藏室通过三通管件连接。
优选地，所述磁珠储藏室与三通管件之间设置有单向阀和/或泵。
本发明中，各部件之间可以通过多种连接件相连，例如单向阀、蠕动泵或者压电泵等，所选用的连接件能够保证液体的按照设定的液体流动方向流动即可。
例如，在磁珠储藏室与三通管件之间设置单向阀和/或蠕动泵，防止磁珠回流，保证磁珠能够进入第一导管中并与第二导管中的血液混合。
优选地，所述磁性芯片通过第二导管和第三导管与所述血液循环单元的第二注液器具相连。
优选地，所述第二导管上设置有单向阀和/或泵。
优选地，所述第二导管、第二注液器具和双腔静脉导管通过三通管件连接。
优选地，所述双腔静脉导管与三通管件之间设置有单向阀和/或泵。
同样的，在双腔静脉导管与三通管件之间设置单向阀和/或蠕动泵，能够防止血液回流，保证血液的流动方向，确保其按照设定的路线流动，经过磁性芯片后再回到穿戴主体。
优选地，所述磁性芯片通过第一导管和第三导管与磁珠存储单元相连。
所述磁性芯片通过第二导管和第三导管与所述血液循环单元的第二注液器具相连。
优选地，所述第一导管、第二导管和第三导管由三通管件连接。
此外，本发明之所以使用三通管件连接第一导管、第二导管和第三导管，是为了保证血液和磁珠在进入磁性芯片之前，预先进行均相混合，在第三导管中，磁珠和血液成分混合，使得磁珠最大可能的结合循环肿瘤细胞，提高捕获效率。
优选地，所述磁性芯片通过双腔静脉导管与穿戴主体相连。
第二方面，本发明提供一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置在非疾病的诊断和治疗方面的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：
(1)将磁珠由磁珠储藏室转移至第一注液器具中，并将穿戴主体的血液经由双腔静脉导管转移至第二注液器具中；
(2)将所述第一注液器具中的磁珠和第二注液器具中的血液经由连接件转移至磁性芯片，所述磁珠捕获血液中的循环肿瘤细胞，所述磁性芯片吸附捕获循环肿瘤细胞的磁珠；
(3)经过所述磁性芯片的血液通过双腔静脉导管转移至所述穿戴主体。
本发明中所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置的使用方法简单，使液相中的磁珠和血液中的循环肿瘤细胞进行反应即可，具有更高的循环肿瘤细胞捕获效率。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置在制备循环肿瘤细胞的富集和/或清除设备中的应用。
本发明中所述装置不仅能够捕获血液中的循环肿瘤细胞，实现穿戴主体内循环肿瘤细胞的清除，所得到的循环肿瘤细胞还能从磁性芯片上洗脱下来，用于下游分析。
本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，通过单向阀、蠕动泵或压电泵，将磁珠和双腔静脉导管中流出来的血液同时泵入磁性芯片进行混合，磁珠捕获到循环肿瘤细胞，并在磁力作用下滞留在芯片内，多余没有捕获到肿瘤细胞的磁珠也会滞留在芯片内，不会回到人体，而被处理过的血液可通过双腔静脉导管回到人体，从而实现体内血液的循环捕获；
(2)本发明提供的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，使液相中的磁珠和血液中的循环肿瘤细胞进行反应，属于均相接触，具有更高的循环肿瘤细胞捕获效率，其血液处理效率远高于现有技术，可在5个小时内清除全身血液中的循环肿瘤细胞，大大降低了病人的治疗时间；
(3)本发明中所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置的管路、仪器和磁珠等均采用医用级材料，利用该装置开发的循环捕获血液中的循环肿瘤细胞的方法，能够富集和清除循环肿瘤细胞，所得循环肿瘤细胞可以被洗脱和裂解用于下游分析，为肿瘤的进一步研究或预后分析提供了基础。
附图说明
图1为本发明中所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置的结构示意图。
其中，1-磁珠储藏室、2-第一注液器具、3-磁性芯片、4-第二注液器具、5-穿戴主体。
图2为实施例1中提供的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置的结构示意图。
其中，1-磁珠储藏室、2-第一注液器具、3-磁性芯片、4-第二注液器具、5-穿戴主体、6-三通管件、7-单向阀、8-第一导管、9-第二导管、10-第三导管、11-双腔静脉导管。
图3A为实施例3中在明场情况下拍摄得到的磁珠捕获细胞的显微图片(标尺100μm)。
图3B为实施例3中在明场情况下拍摄得到的磁珠捕获细胞的显微图片(标尺50μm)。
图3C为实施例3中在绿色荧光下拍摄得到的磁珠捕获细胞的显微图片(标尺100μm)。
图3D为实施例3中在绿色荧光下拍摄得到的磁珠捕获细胞的显微图片(标尺50μm)。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
以下实施例中，若无特殊说明，所以的试剂及耗材均购自本领域常规试剂厂商；若无特殊说明，所用的实验方法和技术手段均为本领域常规的方法和手段。
首先，使用图1对本发明中提供的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置的结构和工作原理进行简单的解释：
所述循环肿瘤细胞捕获装置包括磁珠存储单元、血液循环单元和吸附单元；穿戴主体5穿戴所述循环肿瘤细胞捕获装置后，与血液循环单元和吸附单元单向联通；
所述循环肿瘤细胞捕获装置工作时，磁珠存储单元的磁珠储藏室1中的磁珠在吸力或者压力的作用下，转移至第一注液器具2中，所述第一注液器具2与磁性芯片3单向连接，即磁珠只能从第一注液器具2中进入磁性芯片3，而不能反向流动；
所述循环肿瘤细胞捕获装置工作时，穿戴主体5体内的血液在吸力或者压力的作用下，转移至第二注液器具4中。同样的，所述第二注液器具4与磁性芯片3单向连接，即血液只能从第二注液器具4中进入磁性芯片3，而不能反向流动；
通过单向阀或者泵，将磁珠和血液同时泵入磁性芯片3，磁珠捕获到循环肿瘤细胞，并在磁力作用下滞留在芯片内，血液通过导管回到穿戴主体5，从而实现体内血液的循环捕获。
实施例1
本实施例提供一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，所述装置的结构如图2所示。
所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置包括磁珠存储单元、血液循环单元和吸附单元；
所述磁珠存储单元包括磁珠储藏室1、第一注液器具2、第一导管7、三通管件6和单向阀7；其中，所述第一注液器具2为注射器，所述磁珠储藏室1、第一注液器具2和第一导管7通过三通管件6相连；所述磁珠储藏室1与三通管件6之间设置有单向阀7，第一导管7上也设置有单向阀7；
所述血液循环单元包括双腔静脉导管11、第二注液器具4、第二导管9、三通管件6和单向阀7；其中，所述第二注液器具4为注射器，所述双腔静脉导管11、第二注液器具4和第二导管9通过三通管件6相连；所述双腔静脉导管11与穿戴主体5相连，且双腔静脉导管11与三通管件6之间设置有单向阀7，第二导管9上也设置有单向阀7；
所述吸附单元包括磁性芯片3、第三导管10和三通管件6；所述第一导管8、第二导管9和第三导管10通过三通管件6相连；所述磁性芯片3通过双腔静脉导管11与穿戴主体相连。
实施例2
本实施例中使用实施例1提供的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置为实验器材，取100mL兔子血液样品替代穿戴主体进行实验，且所述血液中加入EpCAM高表达的HepG2细胞，HepG2细胞的浓度为100cells/mL。
具体包括如下步骤：
(1)同时拉动放有磁珠(安捷伦，LodeStars 2.7Carboxyl，羧基修饰磁珠)和连接双腔静脉导管的注射器，血液和磁珠分别进入对应的注射器；
(2)同时推动注射器，将磁珠和血液推动进入磁性芯片混合，磁珠和血液中的循环肿瘤细胞进行结合，并在磁力下滞留在芯片内，处理过的血液重新通过双腔静脉导管的外腔回到人体；整个实验流程进行6分钟，100mL血液全部循环一次。
所得磁性芯片中的液体的显微图像如图3A～图3D所示；
如图3A和图3B所示，图中黑色小点(其中图3B所示3μm MB)即为磁珠，大球为细胞，可以看出，磁性芯片中的液体包含HepG2细胞和磁珠；
如图3C和图3D所示，绿色荧光通道下也能观察到明场中对应的细胞。
经过所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置后，对芯片捕获的细胞进行细胞计数，最后统计得到8345±683个细胞，可以看出本装置的捕获效率已经达到常规的微流控芯片的捕获效率，但是，本发明所述的方法是一种均相反应体系，磁珠和细胞在液相中充分混合，大大缩短了磁珠捕获细胞所需要时间，同时所有磁珠最后被吸附在芯片上，不会回到体内具有很好的安全性。
综上所述，本发明提供的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置能够高效捕获血液样品中的循环肿瘤细胞，可在5个小时内(100mL血液需要6分钟来换算，人体大约5L血液，需要5小时)清除全身血液中的循环肿瘤细胞，血液处理效率远高于现有技术，大大降低了病人的治疗时间，所得到的循环肿瘤细胞也可被洗脱和裂解用于下游分析，为肿瘤的进一步研究或预后分析提供了基础。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置包括：
磁珠存储单元，包括磁珠储藏室和第一注液器具，所述磁珠储藏室与第一注液器具单向联通；
血液循环单元，包括双腔静脉导管和第二注液器具，所述双腔静脉导管与穿戴主体相连，并与第二注液器具单向联通；
吸附单元，包括用于吸附磁珠的磁性芯片；
所述磁珠存储单元、血液循环单元和吸附单元通过导管相连。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述磁性芯片通过第一导管和第三导管与磁珠存储单元相连；
所述第一导管上设置有单向阀和/或泵。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述第一导管、第一注液器具和磁珠储藏室通过三通管件连接；
所述磁珠储藏室与三通管件之间设置有单向阀和/或泵。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述磁性芯片通过第二导管和第三导管与所述血液循环单元的第二注液器具相连；
所述第二导管上设置有单向阀和/或泵。
5.根据权利要求4所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述第二导管、第二注液器具和双腔静脉导管通过三通管件连接；
所述双腔静脉导管与三通管件之间设置有单向阀和/或泵。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述磁性芯片通过第一导管和第三导管与磁珠存储单元相连；
所述磁性芯片通过第二导管和第三导管与所述血液循环单元的第二注液器具相连。
7.根据权利要求6所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述第一导管、第二导管和第三导管由三通管件连接。
8.根据权利要求1所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置，其特征在于，所述磁性芯片通过双腔静脉导管与穿戴主体相连。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置在非疾病的诊断和治疗方面的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：
(1)将磁珠由磁珠储藏室转移至第一注液器具中，并将穿戴主体的血液经由双腔静脉导管转移至第二注液器具中；
(2)将所述第一注液器具中的磁珠和第二注液器具中的血液经由连接件转移至磁性芯片，所述磁珠捕获血液中的循环肿瘤细胞，所述磁性芯片吸附捕获循环肿瘤细胞的磁珠；
(3)经过所述磁性芯片的血液通过双腔静脉导管转移至所述穿戴主体。
10.如权利要求1～8任一项所述的可穿戴式循环肿瘤细胞捕获装置在制备循环肿瘤细胞的富集和/或清除设备中的应用。
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