目的:基于國家重點研發計劃項目“乳腺癌循環腫瘤細胞成像和檢測數字診療新技術研究” ,從目前臨床循環腫瘤細胞在實踐診斷中迫切需要解決的問題入手,研發乳腺癌循環腫瘤細胞智能檢測系統,為乳腺癌檢測提供嶄新的檢測平臺體系。方法:本系統創新性地將微流控技術與表面增強拉曼檢測以及人工智能算法聯用,通過 3D 打印微流控芯片分離出血液樣本中的循環腫瘤細胞,利用表面增強拉曼檢測技術采集分離出的細胞信號,結合人工智能算法比對分析得出細胞的種類以及分子分型。結果:本項目在綜合考慮技術水平與市場需求的前提下,實現了用 5mL 血液在 1 小時內獲得樣本中循環腫瘤細胞的檢測結果,同時保障了結果的準確性。結論:該項目滿足了市場對乳腺癌的非侵入性快速檢測方法的需求,提高了乳腺癌檢測的效率和準確率,將檢測成本降低了 70% 以上,有利于乳腺癌檢測的推廣及普及,對促進人類健康產業的發展有著重大意義。
本系統創新性地將 3D 打印微流控芯片與拉曼檢測聯用,實現了循環腫瘤細胞的檢測與分類一體化,極大地縮短了檢測時間,提高了檢測效率與準確率,目前處于樣機階段。
我們還考慮到檢測成本和對人體的傷害程度,將一次性消耗成本控制在百元級別,每次僅需 5mL 血液,實現了廉價安全的腫瘤檢測,讓人們用得起,用得放心。
從市場上來看,循環腫瘤細胞檢測正成為一個量大面廣的龐大市場,而因為基于循環腫瘤細胞的腫瘤檢測具有廉價、高效、靈敏度高、對臨床治療指導性強等特性,這種具有明顯優勢的檢測方式已成為大勢所趨。盡管該檢測目前尚未被應用于臨床工作中, 但相信該檢測系統可以為臨床診斷和科研工作提供可靠的檢測方法。相信我們的技術能夠為廣大的患者帶來健康和幸福。對技術成果,非涉密技術方案進行簡要介紹。
主要技術指標
(1)拉曼增強材料,拉曼增強因子達到 1.0×105;
(2)3D 打印類河灣截面微流控芯片,腫瘤細胞慣性聚焦效果與粒子濃度之間存在線性關系,線性度達 98.38 %;
(3)腫瘤細胞的回收率達到 90.0 %,腫瘤細胞的富集比達到 1.90 倍;
(4)檢測范圍達到 0-1000 個,檢測下限達到 1 個細胞,且多次試驗之間偏差較小,不存在系統性變化;
(5)微流控動態流體 SERS 檢測平臺,具有優異的穩定性(RSD 為 1.90%)和重復性(RSD 為 4.98%),可以作為標準化的細胞 SERS 檢測方法;
(6)開發了基于局部對稱重加權懲罰最小二乘的拉曼基線校正預處理方法、基于KNN 算法的拉曼光譜分析方法以及基于預處理組合的拉曼光譜分析方法等多種拉曼光譜數據分析方法;
(7)建立了腫瘤細胞拉曼光譜標準數據庫,并開發了乳腺癌循環腫瘤細胞檢測軟件,實現細胞拉曼光譜數據的自動化處理分析;
(8)構建了乳腺癌循環腫瘤細胞檢測分析系統,并完成了臨床樣品的初步驗證及后續方案的設計。
乳腺癌是來源于乳腺上皮組織的惡性腫瘤,也是我國女性發病率最高的惡性腫瘤。近年來隨著乳腺癌診療手段的改進,其 5 年生存率明顯升高。帶病生存的晚期乳腺癌患者占比越來越高。乳腺癌廣泛侵襲和轉移后未獲得及時有效的診治成為患者死亡的主要原因,因此通過多手段監測是很有必要的。
循環腫瘤細胞是指實體腫瘤原發病灶或者轉移病灶中脫落的進入血液循環系統的惡性腫瘤細胞。2007 年,美國臨床腫瘤學會將循環腫瘤細胞納入腫瘤生物標志物。2018 年全球啟用的美國癌癥聯合會(AJCC)第八版癌癥分期系統,首次將乳腺癌外周血中的循環腫瘤細胞列為預后提示因子。乳腺癌分子分型,可幫助患者選擇內分泌治療和靶向人表皮生長因子受體 -2(HER2)治療。但是傳統的骨髓穿刺等方法存在取材對人體傷害大,及診斷主觀性強等缺點。
我們開發的乳腺癌循環腫瘤細胞智能檢測系統通過微流控芯片分離血液中的循環腫瘤細胞,并將微流控和表面增強拉曼檢測連用,采集分離后細胞拉曼光譜數據,利用人工智能算法獲得細胞種類以及乳腺癌分子分型。實現了操作更簡便、成本更低廉的檢測,可以及時、有效地發現腫瘤復發以及準確評估疾病進展,有助于進一步延長患者生存期。
本項目所開發的乳腺癌智能診斷技術引起了社會的廣泛關注和支持。中央電視臺CCTV-2 財經頻道的《創業英雄匯》節目,陜西網絡廣播電視臺第一新聞午間播報節目、搜狐網站、科學網、陜西頭條網站報、西安新聞網、西安晚報、第一熱搜節目、西安電子科技大學新聞網和微流控公眾號等媒體報道了我們的技術。
本項目依托于國家重點研發計劃數字診療裝備研發專項項目——“乳腺癌循環腫瘤細胞成像和檢測數字診療新技術研究”(2016 年立項,總經費 200 萬元)研究成果,具有極大的發展潛力。乳腺癌智能診斷醫療器械正在申請國家食品藥品監督管理總局的二類醫療器械產品注冊證。將進一步開展臨床實驗及設備改良,已與西京醫院建立合作關系,已通過倫理審查,正在對發生腫瘤轉移或局部中晚期的乳腺癌患者開展臨床實驗,針對新輔助化療進行療效評估。該項目具有很好的市場、產業和商業價值,成果轉化過程中已經得到 2019 年西安市留學回國人員創新創業扶持項目 50 萬元資助。2020 年,入選西安市西咸新區灃東新城國家級領軍人才項目,進行孵化落地。2019 年,入選《中國醫療器械科技創新發展報告》,得到行業認可。低成本和高準確率使得這項技術走向應用,實現癌癥的精確診斷,從而造福人類。
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