【儀表網 研發快訊】近日，哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院現代顯微儀器研究所(以下簡稱“儀器學院顯微所”)、新加坡南洋理工大學和黑龍江省中醫藥科學院合作團隊提出了一種新型人源腫瘤細胞篩選與檢測方法，突破了現有腫瘤細胞檢測技術在靈敏度、檢測通量和診斷效率等方面的限制。研究成果以《基于超光譜芯片面向腫瘤細胞篩選和量化的三維空間圖譜》(Hyperspectral Metachip-Based 3D Spatial Map for Cancer Cell Screening and Quantification)為題發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。
圖1 (a)超構傳感芯片陣列和單元顯微鏡下的照片 (b)設計的單元結構近場增強分布圖 (c)太赫茲測試系統示意圖 (d)多通道投射光譜測試結果 (e)不同通道品質因數的仿真與測試結果 (f)共振峰移動與分析物折射率之間的關系 (g)折射率靈敏度曲線
腫瘤早期篩查是科學防治癌癥的重要一環。傳統的早篩過程中針對人源腫瘤細胞診斷方法存在靈敏度低、副作用大、成本高、設備體積龐大、操作程序復雜、對臨床經驗要求高等問題，并且在醫療條件不佳的偏遠地區難以普及，容易使癌癥患者錯過最佳的治療時機。因此，開發新型無標記、低成本、快速精準、對生物組織無害、人工操作簡易的腫瘤細胞檢測方案對提升癌癥早期患者治療成功率和我國整體醫療水平具有重要意義。
圖2 不同人源腫瘤細胞樣本對應的高維光譜特征及降維過程 (a)A549 (b)HGC-27 (c)PANC-1 (d)U2OS (e)HepG2 (f)提出的人源腫瘤細胞三維空間圖譜 (g)在額外的腫瘤細胞樣本集下的檢測結果，以混淆矩陣的形式展示
本研究創新性提出了一種基于太赫茲多通道超構傳感芯片的人源腫瘤細胞三維空間圖譜，可以高效檢測不同人源腫瘤細胞的種類和濃度。研究團隊設計的太赫茲多通道傳感芯片由結構簡單緊湊的超構單元組成，具有優異的品質因數、環境折射率靈敏度以及濃度靈敏度，可無標記地有效捕獲人源腫瘤細胞多個通道下的初始光譜特征。此外，團隊還基于機器學習算法將不同腫瘤細胞樣本對應的高維光譜特征降維至低維向量，即三維空間圖譜中的一個坐標點，顯著提升了檢測效率和分辨力，并且操作過程無需豐富的臨床經驗。實驗證明，該檢測方法可有效區分和篩選五種來自不同人體部位的腫瘤細胞及其濃度，在額外的腫瘤樣本集下檢測成功率為93.33%。研究提出的解決方案將促進癌癥早篩過程中腫瘤細胞檢測技術的發展，并為新型高通量生物傳感系統的開發提供新的契機。
人源腫瘤細胞三維空間圖譜構建過程
哈工大為論文第一單位。儀器學院顯微所博士研究生趙子涵、電子與信息工程學院博士研究生唐曉聰和新加坡南洋理工大學紀昌銀博士為共同第一作者。儀器學院顯微所教授丁旭旻、南洋理工大學助理教授胡光維和黑龍江省中醫藥科學院副研究員蒙艷麗為通訊作者。哈工大儀器學院劉儉教授對研究工作提供指導和支持。
該研究工作獲國家自然科學基金項目資助。
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