集成电化学传感器的数字微流控平台，自动化提取并检测细胞外囊泡
2025-09-17 11:26:49 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项工作的一个关键贡献是将微型电化学传感器开发并集成到数字微流控器件中，以简化并自动化芯片上的细胞外囊泡提取和检测。
细胞外囊泡（EV）是细胞分泌到周围环境中的由磷脂包裹的纳米颗粒。细胞外囊泡可以传递多种介导细胞间通讯的生物分子，并在生理和病理过程中发挥关键作用。因此，细胞外囊泡正成为多种疾病的新生物标志物、治疗靶点和药物递送载体。然而，细胞外囊泡的分离和检测需要耗时且费力的过程，首先从生物和生理体液中提取细胞外囊泡，然后以高灵敏度检测细胞外囊泡相关分子。目前用于细胞外囊泡分析的检测方法和仪器通常无法在研究实验室之外广泛使用，为生物学和临床应用中细胞外囊泡相关分子的研究带来了实际障碍。
为此，各界近期重点研究了利用微流控技术提取细胞外囊泡，因为微流控技术能够处理微升体积的液体，并在小型化设备中自动化复杂的过程。被动颗粒分离方法在微流控器件中很常见，可以通过颗粒尺寸来分离细胞外囊泡，例如通过横向位移、惯性力和流式分离等。超声波等主动方法也可以用于微流控器件，通过基于尺寸施加不同的力来捕获、分离、聚集和运输细胞外囊泡。然而，基于尺寸的细胞外囊泡分离往往纯度较低，因为尺寸相似的污染物也可能被分离出来，同时堵塞也是一个挑战。为了克服这些局限性，电动力学方法已被探索作为替代方案。然而，这些方法通常需要在微流控器件的精确位置集成微型电极，并以高度可控的方式调制这些电极上的高交流电场，此外，在水中使用非绝缘电极存在电解风险，可能导致器件失效。
据麦姆斯咨询介绍，为了克服上述挑战，美国梅奥诊所（Mayo Clinic）的研究人员开发了一种数字微流控（DMF）器件，能够从多种生物体液中自动提取细胞外囊泡，并根据其表面标志物检测特定亚群。相关研究成果已经以“An Integrated Digital Microfluidic Device for the Extraction and Detection of Extracellular Vesicle-Based Molecules”为题发表于近期的Small期刊。
与其它的微流控平台不同，该数字微流控器件由绝缘电极阵列组成，基于电润湿原理处理流体。这种独特的结构使其能够按时序对液滴进行程序化处理（例如分离、混合、移动），而无需物理微结构（例如微阀、微通道）。因此，这些器件能够以用户自定义的参数自动执行需要多步检测的实验，例如目标提取、洗涤和培养。在该数字微流控器件中，研究人员使用免疫磁性微球在芯片上提取细胞外囊泡，因为免疫亲和对细胞外囊泡亚群具有更高的特异性，然后利用电化学传感器检测其表面标志物。
基于电润湿原理的数字微流控器件
在概念验证中，研究人员选择了免疫检查点分子PD-L1作为细胞外囊泡结合靶点，因为其在血液中的循环与对PD1/PD-L1阻断的耐药性相关，这是一种免疫治疗领域的前沿疗法。所开发的数字微流控器件可以在25分钟内自动从20 µL的细胞培养物和人类血浆样本中提取细胞外囊泡，并使用电化学传感器在芯片上检测PD-L1细胞外囊泡，检测限为1 x 10⁴ EVs/mL。这项研究展示了从多种生物体液中简化细胞外囊泡提取，并检测特定细胞外囊泡亚群的可行性，可用于生物学研究和临床应用。
数字微流控器件平台
该数字微流控器件由两块玻璃基板组成，基板之间存在间隙，用于处理液滴。底部基板上图案化了驱动电极、储液电极以及侧面的电接触垫，顶部基板则涂覆了透明导电材料氧化铟锡（ITO），作为器件的接地电极，同时可以从顶部观察液体。该数字微流控器件可以编程控制电极的开启/关闭，以定时方式处理液滴。样品和试剂（例如培养基、血浆、磁性微球）可以移液到不同的储液电极上，然后根据电润湿原理分裂成更小的液滴，并在驱动电极上进行处理。在本研究中，研究人员在单个器件中实现了多种功能，包括磁性微球功能化、从生物体液中捕获细胞外囊泡、样品清洗和细胞外囊泡洗脱。随后，研究人员将基于金线的电化学传感器插入器件中，用于检测PD-L1⁺细胞外囊泡。
片上TIM-4磁性微球制备
在本研究中，研究人员利用免疫磁性微球在芯片上进行细胞外囊泡的提取。首先，研究人员在数字微流控器件中将TIM-4功能化到免疫磁性微球上。简而言之，从芯片上的储液电极滴加10 µL的链霉亲和素包被磁性微球，然后通过磁铁保留微球，同时将上清液分离并移除。随后，滴加含有生物素标记的TIM-4并悬浮于清洗缓冲液，将其与磁性微球混合，通过生物素-链霉亲和素偶联固定TIM-4。然后使用多个20 µL清洗缓冲液滴，以相同的方式去除未结合的分子。微球在开始细胞外囊泡分离过程前，重新悬浮于20 µL清洗缓冲液滴中。需要注意的是，许多微流控过程使用预先在芯片外制备的功能化微球，而这项研究将微球功能化过程与细胞外囊泡提取相结合，展示了按需将不同生物识别试剂功能化到微球上用于特定检测的可行性。
片上细胞外囊泡提取
基于表面修饰的工作电极，研究人员构建了一种电化学免疫传感器，用于检测芯片上提取的细胞外囊泡的PD-L1表达水平。
细胞外囊泡表征
利用所设计的电化学传感器检测PD-L1⁺细胞外囊泡
结论
这项工作的一个关键贡献是将微型电化学传感器开发并集成到数字微流控器件中，以简化并自动化芯片上的细胞外囊泡提取和检测。该概念验证平台可以在25分钟内对20 µL的细胞培养介质和临床血浆样品进行磁性微球功能化和细胞外囊泡提取，电化学传感器可以在5分钟内检测到低至10⁴ PD-L1⁺ EVs/mL。随着时间的推移，这些传感器展现了所需要的特异性和稳定性。与标准细胞外囊泡分析相比，该便携式系统显著降低了对特定基础设施的需求，省去了多个耗时且劳动密集型过程，为基于细胞外囊泡的生物研究和临床应用分析带来了希望。最终，研究人员设想该平台可以转化为一种常规台式工具，使生命科学实验室以及临床环境中基于细胞外囊泡的生物标志物分析成为可能。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202504335
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