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循环肿瘤细胞(CTCs)是从原发灶或者转移灶脱落进入到血液中的稀有肿瘤细胞,是癌症转移的主要来源。CTCs作为一种“液体活检”,具有可重复性、取样简便和创伤性小等优点,在临床上具有十分重要的应用价值。CTCs作为新型的肿瘤标志物能够提示转移的发生,为肿瘤的早期诊断和临床分期提供重要的信息,也可作为预后评估和治疗疗效监测的一项重要指标。与此同时,CTCs的分子特征可用于靶向用药,以进一步指导个体化治疗。CTCs的数量极其稀少,而且呈现一定的肿瘤异质性。因此,发展一种高灵敏度、可靠精准的技术来捕获分离CTCs将成为一项巨大的挑战。之前有报道采用单面鱼骨型微流控芯片分离病人血液中的CTCs,但很少针对其理论模型开展比较深入的研究。本论文构建了一种分析模型通过研究细胞与抗体包被的芯片各个壁面的有效碰撞情况来优化鱼骨芯片的结构参数与实验条件,以寻找最优的细胞捕获率。因此,本文分别从芯片的结构参数、流体流速及流动方向定量分析了芯片内细胞与壁面碰撞率的影响,并采用细胞系实验成功地证实了模拟优化结果的准确性。最优结构的单面鱼骨芯片对CTCs的捕获率高达90±3%,随后又将此计算模型应用在一种新型的双面鱼骨芯片上。在相同实验条件下,流体在双面鱼骨芯片中并没有比结构最优的单面鱼骨芯片发生更多有效的碰撞,但最优双面鱼骨芯片对直接从全血中CTCs的捕获率高达94±4%,这主要归功于白细胞的边集效应和血浆撇取效应。抗体包被的鱼骨芯片对CTCs的捕获率很高,但只局限于细胞计数,不利于做进一步的功能性分析。因此,本论文采用基于免疫磁珠的鱼骨芯片技术一步法捕获全血中活的CTCs,通过显微操纵技术将最终确认的CTCs释放下来并逐个取出后做进一步的单细胞基因检测。此外,对分选后CTCs的体外增殖培养也成功实现。为了进一步鉴定CTCs的表型,本论文开发了一种微孔阵列与微球-抗体条形码阵列相结合的技术。将鱼骨芯片上释放下来的CTCs转移至微孔阵列内,芯片上微孔数目远大于细胞数目,使每个微孔最多包含一个细胞。将微孔里的单个细胞进行原位裂解,运用微球-抗体条形码阵列捕获细胞释放出来的蛋白质,再通过三种器官特异性标志物、两种药物靶点以及一种常用的白细胞标志物对单细胞的多重蛋白质进行定量检测。最终,根据蛋白表达谱能够判断出CTCs的器官来源并且实施靶向药物治疗。本研究建立了有效的CTCs捕获与检测平台,具有高特异性、高灵敏度与可重复性等优点,为CTCs的临床应用提供有价值的参考。