导读：
肿瘤细胞释放的细胞外囊泡（EV）已成为早期癌症诊断的重要标志物之一。然而，从复杂的体液环境中高效收集EV仍是一大挑战。近期，同济大学杨同青教授、许晓斌教授团队联合浙江大学马梁副教授团队开发了一种集成硅纳米棒阵列的微流控芯片，能够高效分离肿瘤细胞释放的EV，并通过定量分析EV中的生物标志物实现了对不同类型癌症患者的早期诊断。相关研究以“Si Nanorod Array Integrated Microfluidic Device for Enhanced Extracellular Vesicle Isolation”为题目，发表在期刊《Advanced Materials Technologies》上。
本文要点：
1、本研究开发了一种集成硅纳米棒阵列的微流控芯片，能够通过免疫亲和力高效分离EV。
2、纳米棒阵列在之字形通道中提供了更大的抗体结合面积，同时其与EV尺寸接近的间距提高了结合概率。
3、流体模拟结果表明，特殊的纳米棒排列还能增强液体扰动，进一步提高分离效率。
4、在优化的操作条件下，将来自14名不同类型癌症（肝细胞癌、结直肠癌和胰腺癌）患者的血浆样本应用到芯片上进行EV分离。
5、在这项概念验证研究中，利用液滴数字PCR对分离出的EV中表皮生长因子受体（EGFR）的表达水平进行了量化，结果表明该芯片在癌症检测方面具有良好的诊断性能。
使用集成纳米棒的微流控芯片进行EV分离的主要优势在于：
1、纳米棒阵列为抗体提供了更大的结合位点，增加了抗体固定的表面积。
2、纳米棒与EV尺寸接近的间距提高了EV与芯片表面抗体的结合概率。
3、纳米棒的特殊排列会产生液体扰动，从而进一步增强芯片上EV与抗体之间的相互作用。
4、在优化的操作条件下，纳米棒芯片对癌症患者血浆样本中的EV具有很高的分离效率，可灵敏检测EV中表皮生长因子受体（EGFR）等RNA生物标记物，从而实现对癌症患者的有效识别。
总之，微流控芯片的纳米棒集成设计通过增加抗体结合位点、尺寸匹配相互作用和流体力学效应提高了EV分离性能，从而实现了高效的EV捕获和下游分析。
如何通过改进微流控芯片设计来增强EV的分离和检测效率？
1、表面功能化：通过对纳米棒表面进行特定的化学或生物分子修饰，增强对EV的特异性吸附，从而提高分离效率。
2、纳米棒尺寸和形状优化：根据EV的尺寸定制纳米棒的直径和高度，以及设计不同的形状（如锥形或多孔结构），以增加捕获效率。
3、流体动力学模拟：利用计算流体动力学（CFD）模拟来优化微流控通道内的流场分布，减少流体剪切力，增加EV与纳米棒的接触时间。
4、通道布局创新：设计新型的微流控通道布局，如增加通道曲折度或采用多级通道系统，以增加EV在芯片内的停留时间和捕获概率。
5、集成传感器技术：在微流控芯片中集成光学或电化学传感器，实现对EV捕获和分析过程的实时监测。
6、多靶标分析能力：芯片可以被修饰以识别多种不同的EV生物标志物，同时可集成更灵敏的分子检测方法，如单细胞测序，以获得更丰富的EV生物信息。
图1.a）纳米棒芯片进行EV免疫亲和分离的工作机制示意图。b）微流控芯片装置的结构及螺钉组装示意图。c）通过该芯片分离出人血浆样本中的EV，并进行液滴数字PCR（ddPCR），以获得用于癌症检测的特定基因签名。
图2.a）暗室照明下拍摄的芯片照片。b）之字形通道中纳米棒的制备过程。c）经氧等离子体蚀刻20、40和60秒的2μm PS微球的SEM图像。d）2、1和500nm PS微纳米球直径与氧等离子体蚀刻时间的关系。数据以十次独立测定的平均值±标准差表示。
图3.a-c）样品1、2和3的SEM图像。d）根据样品3的参数制备的尺寸减小的纳米棒。比例尺，2μm。
图4.a）分离效率测量过程示意图。b）在0.05-1mL/h的流速下，微棒基板（H=1μm）的分离性能。c）在0.1mL/h的流速下，平面硅基板和纳米棒基板（H=2、1和500nm）的分离性能。d）在1.25-10μg/mL的抗EpCAM浓度下，纳米棒基底（H=500nm）的分离性能。数据以三次独立测定的平均值±标准差表示。e）纳米棒侧壁上的EV的SEM图像。
图5.流速为0.1mL/h时不同基材的速度矢量和壁剪切应力图。矩形宽度两侧的蓝色和红色箭头表示入口和出口。
图6.a）使用来自健康捐赠者和癌症患者的血浆样本测试芯片性能的工作流程。b）箱形图显示ddPCR用于分析检测到的癌症患者（n=14）和健康供体样本（n=8）的总EGFR和GAPDH转录拷贝数。箱形图通过触须（whiskers）展示了数据的最小值到最大值的范围，箱体表示了数据的中间50%的分布区间，中间的横线代表数据的中位数。使用Wilcoxon检验评估不同组之间的显著差异（**p<0.01，***p<0.001）。
原文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202400294
