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ACS APPL MATER INTER | 宁波大学/复旦大学余绍宁,上海交大九院刘玉杉:微流控芯片超灵敏分析外泌体的新策略

​外泌体是由细胞分泌的直径为30-150nm生物细胞外囊泡,在细胞间通讯、肿瘤发生和致病因子传播中发挥重要作用。外泌体存在与血液、尿液和恶性积液等体液中,肿瘤来源外泌体与肿瘤的进展和转移有关,被认为是最有潜力的“液体活检”生物标志物之一。微流控技术在生物分析方面具有独特的优势,它为目标分子和传感器之间的有效接触提供了较大的表面积,极大地提高了分析的灵敏度和速度。但是微型化分析仪器在降低样品消耗的同时对检测要求更高,对表面的目标物也更为敏感,因此研究者开发出人字混合器、Y形混合器等来增强流体的充分混合,以增强表面的靶向性,实现目标物的亲和力捕获。但是在目前的微流控系统中,芯片通道内的流体混合器大多是由实体柱组成的,流体在固液界面发生明显滞留现象,大大降低了目标物与表面结合效率。
近日,宁波大学/复旦大学余绍宁课题组携手上海交大第九人民医院刘玉杉课题组,开发了一种3D-SiO2多孔微流控芯片,增强了外泌体的捕获效率,实现了对外泌体的超灵敏检测。研究成果以“UltrasensitiveAnalysis of Exosomes Using 3D Self-assembled Nanostructured SiO2Microfluidic Chip”为题,作为封面论文发表在ACSApplied Materials & Interfaces上(doi: 10.1021/acsami.1c22569)。复旦大学化学系博士研究生李巧玉为论文第一作者,宁波大学材化学院所属质谱研究院余绍宁教授、上海交大第九人民医院刘玉杉、于国鹏博士为共同通讯作者。

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作者通过胶体自组装技术将具有良好生物相容性的SiO2纳米粒子引入到芯片中,构建了三维有序的纳米多孔结构阵列,纳米孔径约200nm,允许外泌体从孔隙通过,克服了液固界面的流动阻力。通过流体仿真和荧光纳米粒子在芯片内的扩散行为验证了3D-SiO2多孔芯片的独特优势(图1)。流体仿真结果表明,与实体混合器芯片相比,流体可以进入多孔域,显示出内部流速较低,角落和外表层流速较高的现象,通过计算得出进入多孔结构的流量占总流量的12%。流体扩散行为也显示出纳米孔的渗透现象,允许外泌体通过并部分保留。

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图1. 3D-solid和3D-SiO2芯片流体仿真速度场与扩散行为对比
作者将芯片应用于荷瘤小鼠和前列腺癌病人血清样本外泌体的检测,并与商业ELISA试剂盒进行了对比(2)。小鼠结果显示3D-SiO2多孔芯片对单个标记物检测的性能优于商业ELISA与PSMA,显示出较好的肿瘤特异性,联合使用三种抗体检测可明显区分对照组与早期PCa组、早期PCa与晚期PCa。病人血清样本结果显示,3D-SiO2多孔芯片可以区分正常人与前列腺癌病人,CD81在对照组中几乎没有表达,展现出良好的肿瘤特异性。整体来看,蛋白表达较高的样本两种方法检测结果都是高表达的。免疫组织荧光显示,外泌体与实体肿瘤之间存在相关性,支持了外泌体作为肿瘤非侵入性液体活检的应用潜力。

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图2. 3D-solid芯片在荷瘤小鼠、前列腺癌病人血清中的应用研究  
该研究发展的3D-solid芯片集成外泌体富集与检测,提高了外泌体的捕获效率,检测限可低至~220 particles/μL,为外泌体的超灵敏检测与分析提供了新的方法,有望应用于外泌体的临床检测。
参考文献:
UltrasensitiveAnalysis of Exosomes Using a 3D Self-Assembled Nanostructured SiO 2Microfluidic Chip. ACS Appl Mater Interfaces. 2022 Feb 24. doi: 10.1021/acsami.1c22569.
 

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