基于变形能力的循环肿瘤细胞动态分选过程的模拟研究

摘要

循环肿瘤细胞(CTCs)是指脱落自原发肿瘤，并且最后进入人体外周血液循环的癌细胞。循环肿瘤细胞在人体内的浓度极低，为了得到足够多的循环肿瘤细胞以用于研究其在癌症发展过程中所扮演的角色，需要一种能够有效地从人体内分离出极低浓度的循环肿瘤细胞的方法。基于细胞尺寸和变形能力的分选方法是一种非特异性方法，分选过程比基于特异性抗体的捕获方式对细胞的损伤更小。该方法利用循环肿瘤细胞比普通血细胞尺寸和刚度更大的物理特性，对循环肿瘤细胞进行过滤捕获。以这种方法为基础的过滤器件搭建方便、操作简单、通量高、成本低，所以在循环肿瘤细胞分选方面应用比较广泛。
　　由于在过滤过程中，细胞受到的剪切力可能会影响细胞的活性，不利于后续的研究，所以对分选过程进行模拟仿真是十分必要的。在本论文中，我们采用的是流体体积(VOF)多相流模型来模拟循环肿瘤细胞的分选过滤过程，并且对过滤薄膜的设计进行优化。另外，为了便于对循环肿瘤细胞进行后续的研究分析，过滤过程对循环肿瘤细胞的损伤应该尽可能的小。尽管之前的一些文献已经报道过对细胞过滤过程进行仿真的一些结果，但是这些结果主要集中在过滤膜的几何结构对薄膜两侧压降以及细胞通过时间的影响。就我们所知，由于细胞的损伤一般是利用离体培养并观察其存活率来进行表征的，细胞过滤过程对细胞损伤的影响目前仍然没有被仿真分析研究过。
　　本文中我们提出了以细胞膜表面应变为依据的细胞损伤表征方法，对循环肿瘤细胞分选过滤过程进行了深入的仿真研究。一般地，细胞在过滤过程中受到的伤害主要来自细胞膜的物理损伤。之前文献曾经报导过，在低应变速率的动态过程中，大约5％～6％的细胞膜表面积应变就会导致磷脂双分子层的裂解。由此可见，细胞膜的面应变可以作为衡量细胞损伤的一个指标，细胞膜的面积应变越大，受到的损伤越大。在本文的仿真中，5.5％的平均面应变被选为临界应变，如果细胞在过滤过程中面应变超过了5.5％，我们就认为细胞受到了较大的伤害。在这个细胞损伤衡量准则的指导下，我们研究了过滤孔几何形状、过滤膜厚度和过滤通量等参数对动态过滤过程中细胞损伤的影响。最终，我们确定了一系列的最优化参数。例如，最优化的过滤膜图形化形状被确定为矩形、最优化薄膜厚度为0.5μm、最优化的流量为0.375mm/s等。并且，我们还制备出了循环肿瘤细胞过滤膜，通过实验对仿真的结果进行了验证。这些仿真结果可以指导具有高通量、低细胞损伤的下一代循环肿瘤细胞过滤器件的设计与制备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 循环肿瘤细胞的背景概述

1．2 循环肿瘤细胞的分选研究

1．2．1 循环肿瘤细胞的分选方法概述

1．2．2 细胞分选过程的仿真方法概述

1．3 细胞分选方法的理论背景

1．3．1 表面张力分析

1．3．2 流体阻力分析

1．3．3 流体控制方程

1．3．4 计算流体力学

1．4 本课题研究的目的与内容

第2章 细胞分选过程的建模仿真

2．1 衡量细胞损伤的准则

2．2 流体仿真模型的选择

2．2．1 多相流模型选择

2．2．2 黏性流模型选择

2．2．3 流体属性的选择

2．3 流体仿真模型的设置

2．3．1 过滤膜几何模型建立

2．3．2 仿真模块参数的设置

2．4 模型仿真结果的提取

2．5 本章小结

第3章 细胞过滤膜的优化与验证

3．1 仿真优化的分析

3．1．1 过滤膜孔形状的优化

3．1．2 膜孔特征尺寸的优化

3．1．3 过滤薄膜厚度的优化

3．1．4 实验过滤流量的优化

3．2 优化结果的验证

3．2．1 循环肿瘤细胞分选芯片的制备

3．2．2 循环肿瘤细胞分选结果的表征

3．2．3 循环肿瘤细胞分选结果的对比

3．3 本章小结

4．1 工作总结

4．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果