用于快速肿瘤诊断的集成电路芯片单细胞阻抗传感

为何更快的肿瘤检测很重要

当外科医生切除可疑肿块时，常常需要当场决定切除多少组织。如果切得太少，危险的癌细胞可能被遗留；若切得过多，患者可能失去本应保留的健康器官组织。现有的实验室检测既慢又复杂，因此医生通常无法在患者仍在手术室时得到明确答案。本研究提出了一种基于芯片的新检测方法，通过读取单个细胞的微弱电信号，快速评估肿瘤在手术期间更可能是良性还是恶性。

现有肿瘤检测的局限

医生目前依赖影像学检查、血液标志物和组织的显微镜检查来诊断癌症。超声、CT、MRI 和 PET 等影像工具可能遗漏非常小的肿瘤，血液标志物往往只在疾病晚期才升高。最可信的方法是将组织固定、切片并染色，但通常需要约一周时间。一种更快的选择——冷冻切片法可以在大约一小时内给出初步答案，但技术要求高、准确性较低，且仍需要熟练的病理学家和精细的样本处理。新的光学和质谱工具可以加快速度，但它们需要昂贵的设备和复杂的工作流程，限制了这些方法的普及。

通过电学指纹读取细胞

团队基于一种称为电阻抗传感的方法，该方法测量电信号通过置于微小电极上的细胞时的难易程度。癌细胞在大小、膜电荷和黏附性方面常与正常细胞不同，这些差异会改变在细胞—电极接触处测得的电阻抗。传统系统需要大量细胞并通过长线缆连接外部仪器，这会引入噪声并模糊单个细胞的信号。为了解决这些问题，研究者将传感电极和读出电子学集成到同一半导体芯片上，从而以高保真度捕获来自单个细胞的超弱信号。

面向细胞传感的低成本芯片工艺

为了使新检测可行，团队还需要以低成本大量制造这些微小传感芯片。他们采用了一种称为聚合物嵌入硅阵列的封装技术，将许多集成电路装入硅片上蚀刻的槽中，然后一起涂覆与图形化处理。每个芯片上形成非常小的铂电极，仅足以容纳单个细胞。在标准四英寸晶圆上，一次批量可处理两千多个芯片。这种方法将后处理成本保持在每片芯片低于一美元，使得可一次性使用的传感阵列成为可能，可直接在临床中使用而无需仔细清洗或重复使用。

从组织样本到癌症风险评分

使用时，先将一小块肿瘤组织处理成单细胞悬液，然后将这些细胞加载到芯片上，单个细胞随机落在微电极上。系统向电极发送温和的交流信号并记录每个细胞的阻抗。癌细胞通常显示出比非癌细胞（包括正常组织细胞和免疫细胞）更高的阻抗。该方法不是单独判断每个细胞，而是观察阻抗值的整体分布，并统计落在由正常组织导出的阈值之上的细胞数量。高阻抗细胞的比例被转换为简单的风险等级：低、中或高，表示肿瘤为恶性的可能性。

对来自不同器官的真实肿瘤进行测试

研究者先在细胞系上验证了该平台，确认其可将胃癌细胞与正常胃细胞区分开，在单细胞层面约达80%的准确率。随后他们推进到来自甲状腺、肝脏、胆管、乳腺、胆囊和胰腺肿瘤患者的临床样本。对每位患者，分别测量了肿瘤和近旁正常组织的细胞。若超过40%的细胞显示异常阻抗，则该肿瘤被归类为高风险，随后经标准病理学确认为恶性。异常细胞很少的肿瘤被判定为低风险，并与良性结果一致。在肝癌样本中，高阻抗细胞的比例与通过流式细胞术单独测得的已知肝癌标志物阳性细胞比例高度一致，进一步支持了该方法的可靠性。

对患者和外科医生的意义

该研究表明，一种小型、廉价的芯片可以快速读取成千上万个单细胞的电学行为，从而估计肿瘤更有可能是良性还是恶性。整个流程从取样到风险读数可在大约二十分钟内完成，速度足以在患者仍在手术室时为决策提供参考。尽管仍需进一步改进细胞定位、在更大规模上降低成本，并提升活细胞在芯片上的长期处理能力，这一方法指向了能够将复杂肿瘤分析直接带入手术室的紧凑型工具，有助于在实时条件下为每位患者量身定制治疗选择。

引用: Hui, W., Chen, L., Andaluz, S. et al. Single-cell impedance sensing on integrated circuit chip for fast tumor diagnosis. Microsyst Nanoeng 12, 173 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01229-w

关键词: 肿瘤诊断, 单细胞分析, 阻抗传感, 集成电路芯片, 术中检测