【Science子刊】癌症诊断准确率高达91%！中国科学院大学团队研究出新方法诊断早期癌症！
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作者：Alan
导读：肿瘤源性细胞外囊泡（EVs）可能对癌症的早期诊断有极大帮助。然而由于缺乏有效、快速、标准化的分离和检测EVs的方法，分析血液样本中的纳米EVs一直受到阻碍。为解决这一难题，研究团队利用电液类比法设计了级联微流控电路，实现了EVs的脉冲式过滤。
4月21日，中国科学院大学研究团队在《Science Advances》上发表了名为“Cascaded microfluidic circuits for pulsatile filtration of extracellular vesicles from whole blood for early cancer diagnosis”的文章，研究人员称通过使用传感器检测从患者血液中分离的EV蛋白质标记物，诊断早期乳腺癌的准确率为91%，而且在EVs研究领域有广阔的应用前景。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2819
研究背景
01
膜过滤是通过使用微/纳米孔膜作为尺寸排除过滤器对细胞外囊泡（EVs）进行尺寸选择性分离的另一种策略。据报道称，这种外泌体全隔离芯片集成了几个具有不同膜孔径的过滤模块，可从血浆和尿液中分离出尺寸在30至200 nm之间的细胞外囊泡。离心微流控装置可以在30分钟内从尿液中自动富集尺寸小于600 nm的细胞外囊泡。对于这些终端过滤设备，膜污染是导致性能下降和细胞外囊泡回收率下降的主要问题。
此外，终端过滤过程中的高压和剪切力可能会对细胞外囊泡造成损伤。为了减少过滤器堵塞，研究人员设计了一种耦合谐波振荡的双膜过滤方法，通过在膜表面周围周期性重悬ev，从尿液样品中提取ev。然而，持续数十分钟的高频振荡(3至7 kHz)可能会改变细胞外囊泡的尺寸和完整性。此外，复杂的外部控制系统可能会限制膜过滤在临床应用中的广泛应用。
研究方法
02
研究人员设计了级联微流控电路，用于直接从全血样本中脉动过滤ev(图1A)。该平台由安装外部聚碳酸酯(PC)膜过滤器(孔径为600 nm)的细胞去除电路和安装阳极氧化铝(AAO)膜过滤器(孔径为20 nm)的ev隔离电路组成。在电路类比的基础上，所设计的微流控电路可以通过多孔膜产生脉动流，将颗粒从表面抬升，从而抑制过滤器结垢和颗粒聚集(图1A)。微流控脉冲过滤能够在30分钟内快速、高产、高纯度地分离非转移性乳腺癌(NMBC)血液样本中的EVs。分离的EVs的蛋白质谱通过一步聚乳酸增强热泳体传感器(pTAS)，在不到15分钟的时间内进行检测，用于诊断非转移性乳腺癌。
以类似电路的方式，微流控脉冲过滤电路由集成在特定结构中的流控电容、二极管和电阻组成。流体电容器是夹在顶部和底部微室之间的弹性膜，在压力引起的膜变形时可以储存和释放流体(图1B)。为模拟微流控脉冲滤波电路，研究人员采用了带有二极管的电阻-电容电路，其中交流电通过电容器并由二极管引导(图1C)。模拟电路的微流控装置具有三层结构，由气动时钟脉冲发生器(电磁阀控制的气动泵)驱动。微流控装置的底层(也称为空气层)由连接脉冲发生器的入口、弹性体膜下方的微室(中间层)、微通道和压力出口(图1D中蓝色部分)组成。顶层(也称为液体层)在弹性体膜上方有一个微室、一个止回阀和一个滤液出口。外部多孔膜过滤器安装在顶层(图1D中的灰色部分)。
当脉冲发生器打开(状态a)时，底部微室的气压突然增加，导致弹性膜向上偏转。因此，顶部微室中的液体流向多孔膜过滤器(回流)和滤液出口(图1D顶部红色箭头)。当脉冲发生器关闭(状态b)时，由于弹性体膜的恢复(图1D底部红色箭头)，液体从过滤器流向顶部微室(正向流动)。通过脉冲发生器的周期性开关产生穿过多孔膜过滤器的脉动流，微流控装置内的止回阀保证了正向流量始终大于回流流量，使得向滤液出口的泵送流量按时间平均输送。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2819
研究意义
03
研究人员制作的微流控装置完全由气动时钟脉冲发生器驱动，可以在30分钟内直接从血液中高产、高纯度的分离EVs。通过使用热敏感应器检测患者血液中分离的EVs的蛋白质标记物来证明其临床效用，诊断早期乳腺癌的准确性高达91%。
参考资料：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2819
注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。
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