Nature子刊：突破性的“芯片实验室”可更快、更便宜、更少侵入性地检测癌症外泌体
堪萨斯大学的研究人员发明了一种新的超灵敏诊断设备，可以让医生从血液或血浆中快速检测癌症，从而为患者提供更及时的干预和更好的治疗效果。
近日在Nature BiomedicalEngineering报道的“液体活检”分析的“芯片实验室（lab-on-a-chip）”检测外泌体——肿瘤细胞产生的微小生物信息包，可刺激肿瘤生长或转移。
“从历史上看，人们认为外泌体就像'垃圾袋'，细胞可以用来丢弃不需要的细胞内容物，”通讯作者Yong Zeng博士说。“但在过去十年中，科学家们意识到它们对于向受体细胞发送信息以及在许多生物功能中传递重要的分子信息非常有用。肿瘤发出外泌体包装活性分子，其反映了亲代细胞的生物学特征。虽然所有细胞都能产生外泌体，但与正常细胞相比，肿瘤细胞确实很活跃。”
新的芯片实验室的关键创新是3D纳米工程方法，该方法基于自然界中常见的人字形图案混合和感知生物元素，在称为“质量传递”的过程中更有效地推动外泌体与芯片的感应表面接触。
“人们已经开发出聪明的办法来改善微尺度通道中的质量传递，但当粒子靠近传感器表面时，它们会被一小片液体分开，从而产生增加的流体动力阻力，”Zeng说。“在这里，我们开发了一种3D纳米多孔人字形结构，可以排出该间隙中的液体，使颗粒与探针可以识别和捕获它们的表面形成硬接触。”
Zeng将芯片的纳米孔与一百万个小厨房水槽进行了比较：“如果你有一个装满水的水槽和浮在水面上的许多球，你如何让所有的球与水槽底部接触？因为传感器需要接触才能分析它们。最简单的方法是排水。”
为了开发和测试开创性的微流体装置，Zeng与KU医学中心病理学和检验医学系的肿瘤生物标志物专家和KU癌症中心副主任Andrew Godwin以及Godwin生物标志物开发实验室的研究生Ashley Tetlow合作。合作者使用来自卵巢癌患者的临床样本测试了芯片的设计，发现芯片可以在极少量的血浆中检测到癌症的存在。
“我们的合作研究成果，推动了癌症研究和患者护理至关重要的领域——即早期发现的创新工具，” Godwin教授说。“这一研究领域对于卵巢癌等癌症尤其重要，因为绝大多数女性被诊断为晚期，遗憾的是，这种疾病在很大程度上是无法治愈的。”
更重要的是，KU开发的新型微流控芯片比同类设计更便宜，更容易制造，可为患者提供更广泛，成本更低的测试。
“我们在这里创造的是一种3D纳米图案方法，无需任何花哨的纳米加工设备。本科生甚至高中生都可以在我的实验室中完成，”Zeng说。 “这是如此简单和低成本，它有很大的潜力转化为临床应用。 我们一直在与Godwin博士以及KU癌症中心和分子生物科学部门的其他研究实验室合作，以进一步探索该技术的转化应用。”
根据Zeng的说法，微流控芯片的设计现已在卵巢癌得到证明，该芯片同样可用于检测许多其他疾病。
“现在，我们正在研究细胞培养模型，动物模型以及临床患者样本，因此我们正在进行一些转化研究，将设备从实验室装置转移到更多临床应用，”他说。“几乎所有的哺乳动物细胞都会释放外泌体，所以应用不仅限于卵巢癌或任何一种癌症。例如，我们正与人们一起研究神经退行性疾病、乳腺癌和结肠直肠癌。”
研究论文摘要：
目前用于外泌体检测的微流体方法的性能受边界条件的限制，以及微尺度质量转移和界面外泌体结合的基本限制。该研究显示设计有自组装三维人字形纳米图案的微流体芯片可以检测血浆中的低水平肿瘤相关外泌体（10个外泌体/μL，或每20 μL加标样品约200个囊泡），用于生物传感的标准微流体系统无法检测到。纳米图案促进微尺度质量传递，增加表面积和探针密度以提高外泌体结合的效率和速度，并允许边界流体的排出以减少近表面流体动力学阻力，从而促进外泌体结合的颗粒-表面相互作用。该研究使用该装置检测来自20名卵巢癌患者的2 μL血浆样本和10名年龄匹配的对照样本中表达CD24、上皮细胞粘附分子和叶酸受体α蛋白的外泌体亚群，并建议外泌体叶酸受体α作为潜在生物标志物用于卵巢癌的早期检测和进展监测。不含纳米光刻的纳米图案装置便于使用液体活组织检查进行癌症诊断。
新的芯片实验室（lab-on-a-chip）的关键创新是3D纳米工程方法，该方法基于自然界中常见的人字形图案混合和感知生物元素，在称为“质量转移”的过程中更有效地推动外泌体与芯片的感应表面接触。
参考文献：
Peng Zhang, Xin Zhou, Mei He, Yuqin Shang, Ashley L. Tetlow, Andrew K. Godwin & Yong Zeng. Ultrasensitive detection of circulating exosomes with a 3D-nanopatterned microfluidic chip. Nature Biomedical Engineering(2019) | DOI: 10.1038/s41551-019-0356-9
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