[發明專利]用于細胞侵襲、遷移能力無標記檢測的太赫茲超材料芯片

在審

• 申請號: 201811270331.1
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109456889A
• 公開（公告）日: 2019-03-12
• 發明（設計）人: 趙祥;府偉靈;張立群;王云霞;熊瑜
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍軍醫大學第一附屬醫院
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;C12M1/34
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

本發明涉及一種用于細胞侵襲、遷移能力無標記檢測的太赫茲超材料芯片，集成了細胞培養室、多孔薄膜及超材料芯片層，利用太赫茲超材料在垂直方向微米級別分布的局域增強電場，對穿過多孔薄膜的細胞數量進行原位、無標記檢測，以評估細胞侵襲及遷移等運動行為。整套裝置結構簡單，組裝便捷，體積小巧，易于整合，可重復使用。

技術領域

本發明屬于太赫茲測量技術領域，涉及一種用于細胞侵襲、遷移能力無標記檢測的太赫茲超材料芯片。

背景技術

侵襲和轉移是惡性腫瘤最主要的生物學特征，其表現為從腫瘤原發部位的惡性細胞脫離病灶，突破基底膜向周圍間質浸潤性生長，并且進入血液或淋巴液在遠端器官黏附、增殖，形成腫瘤細胞轉移灶；這也是導致惡性腫瘤患者死亡的重要原因。準確評價腫瘤細胞的侵襲運動能力對于腫瘤轉移機制的研究和抗腫瘤藥物的研發至關重要。

目前體外評估細胞侵襲運動能力的實驗方法主要有：

1.劃痕實驗，其原理為獲得融合緊密的單細胞層，并在單細胞層中間人為制造空白區域，稱之為“劃痕”，隨著培養進行，劃痕邊緣的細胞會逐漸遷移使空白區域融合，可模擬體內細胞遷移、侵襲過程。該方法操作簡便，但重復性差，且在劃出痕跡過程中會導致細胞損傷、破碎，殘片會阻止邊緣細胞的遷移，進而影響實驗結果。

2.Transwell細胞實驗，是目前應用廣泛的方法，其依賴表面分布孔徑的薄膜，統計從薄膜上層覆蓋的基質(Matrigel)表面穿越轉移到薄膜下層的細胞數，評估細胞的遷移能力。此方法常借助染色后光鏡下隨機視野計數，或者讀取細胞裂解液吸光度值進行計數；但此方法操作復雜，染色耗時較長，難以滿足無標記、原位高通量篩選需求。

太赫茲(terahertz，THz)波在電磁波頻段中處于微波和紅外波之間，頻率通常為0.1-10THz。太赫茲技術具備應用于細胞檢測的獨特優勢：1THz振蕩頻率對應0.16皮秒轉動，太赫茲技術將傳統方法在飛秒尺度上檢測水分子運動提升至皮秒及亞皮秒尺度，可以更為精確、實時反應胞內自由水和結合水的水化動力學。然而，傳統研究細胞內水化動力學方法包括磁共振、準彈性中子散射和非相干中子散射是無法在空間上嚴格區分胞內水和胞外水，且需要氫氘置換或低溫冷卻；無法反應自然狀態下細胞內部的水動力學?；趥鹘y透射式太赫茲波譜的細胞檢測受限于培養基環境強吸收干擾和檢測波長與單細胞層厚度失匹配的制約，較難實現對溶液中活細胞的準確定量和定性評估。太赫茲衰減全反射技術利用太赫茲波在棱鏡表面發生全反射時產生的與細胞層厚度相匹配的倏逝波進行貼壁細胞檢測，是目前研究活細胞太赫茲介電特性的有效手段；但其光路搭建較為復雜，且棱鏡及附屬機械結構較大，較難進行微型化或芯片化以整合入現有細胞培養檢測體系。

太赫茲超材料傳感技術為開發小型化細胞檢測芯片提供新思路，其主要利用在硅、石英或其他介質膜上加工周期性排布的亞波長金屬結構，形成局域表面等離子共振，以增強待檢物質與太赫茲波的相互作用。太赫茲超材料具備應用于細胞無標記檢測的獨特優勢：1.尺寸小巧，易于整合，常規厚度僅約500微米；2.檢測靈敏度高，可使狹縫間隙內介質生物分子光譜吸收橫截面增加10³-10⁵倍以上，吸收系數也極端增加至10⁶-10⁷cm^-1；3.有效響應區域匹配，其表面激發局域等離子體共振的電場分布范圍在數微米級別，與單個細胞厚度相匹配，可完整獲得細胞的響應信息。但現有透射式太赫茲超材料的細胞檢測芯片，常需要拭去細胞胞外水，且依賴于將單細胞層生長于超材料表面，只能檢測靜態貼壁細胞對藥物誘導凋亡的響應，難以評估測量活細胞的遷移、侵襲等運動行為。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種用于細胞侵襲、遷移能力無標記檢測的太赫茲超材料芯片。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：