《Nature》子刊：新型全自动外泌体检测技术，实现脑癌血检仅需 2 美元， 1 小时内出结果！
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作者：戴维 | 主编：摩西
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胶质母细胞瘤（Glioblastoma）是一种极具侵袭性的脑癌，通常难以在早期阶段准确诊断。传统的诊断方式往往需要经过复杂的影像学检查和病理分析，耗时较长且成本较高，并且由于肿瘤异质性较高，容易出现误诊或漏诊的情况。这种诊断难度不仅延误了治疗时机，还限制了患者的生存率。
然而，法国圣母大学的研究人员最近取得了一项重大突破，他们开发出了一种全新的自动化设备，能够在不到一小时快速、精准地诊断出胶质母细胞瘤。这项技术大幅缩短了诊断时间，并为医生提供了更可靠的依据，有望成为未来癌症诊断领域的一个重要工具！
胶质母细胞瘤（Glioblastoma, GBM）是最常见且最具侵袭性的恶性脑肿瘤之一。它源于大脑中的胶质细胞，具有高度异质性和极强的生长能力，这使其在临床治疗中难以彻底治愈。GBM通常表现为快速扩散、易复发，并且对传统治疗如手术、放疗和化疗具有显著抵抗性。
从流行病学角度来看，胶质母细胞瘤虽然较为罕见，但其发病率仍然令人关注。每年全球10万人约有3至4人被诊断为GBM，这一疾病在中老年人群中更为常见，尤其是55至75岁的人群，男性患病率略高于女性。
胶质母细胞瘤的预后相当严峻。尽管经过积极治疗，患者的中位生存期一般仅为12至15个月，而5年生存率则不足10%。这种残酷的现实突显了早期诊断和创新治疗手段的重要性，也推动了科学家们不断探索新的突破口。
大脑母胶质瘤是最为致命的脑部肿瘤之一
最近，来自法国圣母大学的研究团队在《Nature》旗下期刊《Communications Biology》上发表了一篇名为“An anion exchange membrane sensor detects EGFR and its activity state in plasma CD63 extracellular vesicles from patients with glioblastoma”的研究成果，他们声称开发出了一种新型自动化设备，使用电动技术检测生物标志物或活性表皮生长因子受体（EGFR）来检测肿瘤细胞的表达，这种方法既方便精确又廉价，耗材成本仅为2美元。接下来让我们一起来了解他们是如何实现的吧！
液体活检是一种新兴的非侵入性检测技术
近年来，液体活检作为一种新兴的非侵入性检测技术受到越来越多的关注，它可以通过检测血液、尿液等体液中的癌症标志物来帮助早期发现癌症。传统的癌症检测方法往往需要活检取样，这可能会带来疼痛和肿瘤转移的风险，而液体活检则为我们提供了更安全、便捷的选择。
在液体活检中，细胞外囊泡（EV）是一个备受关注的研究对象。EV根据尺寸的不同包括外泌体和微囊泡，它们是由细胞释放出的微小“包裹”，能够携带RNA、蛋白质等分子，并在细胞间传递信息。可以把它们想象成“快递包裹”，细胞通过这些包裹来传递“消息”，从而影响其他细胞的行为。
EV 的一个特别之处在于，它们不仅能保护其中的遗传物质（比如 miRNA 和 mRNA）免受破坏，还能在血液、尿液、唾液等多种体液中保持稳定。这种稳定性使得研究人员开始思考，能否通过检测体液中的EV来判断体内是否存在癌症。毕竟，这些“快递包裹”可能会携带着重要的“线索”，帮助我们发现癌症的踪迹。
表皮生长因子受体在细胞膜上的模式图
在一些癌症中，表皮生长因子受体（EGFR）会异常增多，而这一现象常被用作癌症的诊断标志。然而，检测这些增多的EGFR并不容易，因为它们在健康细胞中的特定位置是隐藏的，这就像被一把“锁”锁住了一样。
当EGFR数量异常增加时，这把“锁”就会被破坏，从而暴露出一个特殊的“钥匙孔”。这种变化只有在癌细胞中才会发生，因此如果我们能够找到合适的“钥匙”，就能够识别出癌细胞。
抗体和受体的关系就像钥匙和锁一样，只有特定形状的钥匙才能开指定的锁
科学家们找到了一种叫做mAb 806的抗体，它就像一把专门识别癌细胞上这种“钥匙孔”的钥匙。mAb 806能够与癌细胞和它们分泌的细胞外囊泡（EV）上的特殊EGFR结合，这种特定的EGFR只有在癌症中才会出现。相比其他的抗体，如西妥昔单抗和帕尼单抗，只能识别正常的EGFR，因此它们无法像mAb 806那样能够精准识别癌细胞。
然而，检测这些癌细胞分泌的EV和它们上的EGFR仍然面临许多技术挑战。首先，血液中这种特定EGFR的浓度非常低，因此很难检测到。此外，现有的检测方法，如ELISA和免疫印迹技术，在灵敏度方面略有不足，它们无法持续稳定检测出血液中稀少的EGFR。
科学家不是没有想过办法解决这个问题，为了检测这些EV中的EGFR，我们需要从血液中分离出EV，但这一过程非常复杂，常常会造成很大的信息损失导致检测结果不稳定。使用荧光标记法也会遇到不小的干扰，因为血液中大量的其他蛋白质会发出“噪音”，这大大影响了结果的准确性。
荧光标记法虽好，但血液中的“干扰源”太多了
还有一种叫做“免疫夹心共定位分析”的方法被认为最具有前景，它使用一种名为CD63的蛋白质作为“捕手”。CD63能够有效捕捉EV，然后再通过特定的抗体识别并量化这些EV上的aEGFR蛋白。这个方法就像一个“夹心三明治”，中间的一层是aEGFR蛋白，两边夹着“捕手”和“探测器”。
但是，这个方法也有许多挑战。首先，EV的数量会因为处理过程和血液中原本的变化而波动，导致结果不准确。为了减少这种误差，科学家们尝试通过在未处理的血液样本中捕捉与aEGFR共定位的CD63 EV来进行标准化分析，这样可以减少假阳性和假阴性结果的可能性。
免疫夹心共定位分析
总结一下，为了获取aEGFR 阳性 EVs 的免疫夹心表征，我们需要满足3个条件。首先，我们需要一种高灵敏度的检测工具来确保即使在极低的浓度下也能检测到aEGFR阳性的EVs。同时，检测工具的动态范围要足够大，这样才能准确检测到EVs上共定位的aEGFR蛋白。最后，开发一种无需繁琐的 EV 分离程序的方法也至少关重要，。
圣母大学研究团队这次开发出来的新方法就是针对未处理血浆 EV 的标准化非光学共定位分析，通过利用传感器的超高灵敏度和选择性来量化未处理血浆中具有疾病标志物的 CD63+EVs 的比例。他们采用的传感器可以最大限度减少非特异性结合，而不会阻断和干扰报告基因，同时还适当适应 EVs 的大小。
这样的传感器采用了一种电荷感应策略，采用高度带电的二氧化硅纳米颗粒报告基因，以此来最大限度减少干扰信号。带电报告基因 (50nm) 的尺寸由于空间和静电排斥被探测器选择，因此只有一个报告基因可以与一个目标 EVs 结合，这使得不同大小的 EVs 的电荷信号都表现出一致性。
平台的总体示意图和整体工作流程。首先，将含有 EV 的样品孵育、清洗、与二氧化硅报告子孵育，然后再次清洗。该平台由阴离子交换膜组成，该膜仅允许反离子通过，并在电流-电压响应中表现出三种不同的状态。
这种方法有几个优点。首先，它使用了高密度的探针，可以捕捉大量的EVs，从而提高了检测的灵敏度。其次，所需的样本和反应时间非常少，这使得检测过程通常在30分钟到1小时内即可完成。此外，这种方法不需要大量的报告基因（用于标记和检测信号的分子），使得检测更加高效。更重要的是，进行一次测试只需 100 微升血液，制造每个生物芯片的材料成本不到 2 美元，而且自动化接口和原型是可重复使用的！
健康人和患有胶质母细胞瘤的受试者的活性和总 EGFR 阳性 sEV 浓度
现在，一旦检测器捕获到EVs，传感器会通过大量的二氧化硅纳米颗粒与EVs上的目标蛋白质结合，生成信号。这些信号能够快速而稳定地指出EVs上是否存在癌症相关的标志物。实验室结果表明，这种传感器具有非常高的灵敏度和广泛的动态范围，能够检测到血液中非常低浓度的EVs。
在临床测试中，这种传感器可以成功区分癌症患者与健康个体，特别是在胶质母细胞瘤（GBM）患者中，其诊断效果明显优于现有方法。这对于早期癌症检测和疾病监测非常有帮助。
a箱线图显示不同分离和定量方法的 DiFi 中 aEGFR 的百分比。受试者包括 25 名健康人和 12 名胶质母细胞瘤患者。箱线图表示 25至75百分位数，而箱线图表示数据范围。b条形图显示使用表面等离子体共振 (SPR) 测量三次超速离心 (UC) 分离的 DiFi EV 中 DiFi 衍生的 sEV aEGFR 分数。误差线为一个标准差。
总的来说，这是一种经济实惠、自动化且快速的AEM生物传感器平台，可以直接检测未经处理的血浆中的外泌体，并具有良好的灵敏度和稳定性。
未来，该平台有潜力通过扩大生物标志物的种类用于更广泛的癌症筛查，帮助识别不同类型和阶段的癌症，这将有助于创建癌症特异性诊断资料库，并改进当前癌症的检测和管理方式。
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