外泌体是由细胞分泌的直径为30-150nm生物细胞外囊泡，在细胞间通讯、肿瘤发生和致病因子传播中发挥重要作用。外泌体存在与血液、尿液和恶性积液等体液中，肿瘤来源外泌体与肿瘤的进展和转移有关，被认为是最有潜力的“液体活检”生物标志物之一。微流控技术在生物分析方面具有独特的优势，它为目标分子和传感器之间的有效接触提供了较大的表面积，极大地提高了分析的灵敏度和速度。但是微型化分析仪器在降低样品消耗的同时对检测要求更高，对表面的目标物也更为敏感，因此研究者开发出人字混合器、Y形混合器等来增强流体的充分混合，以增强表面的靶向性，实现目标物的亲和力捕获。但是在目前的微流控系统中，芯片通道内的流体混合器大多是由实体柱组成的，流体在固液界面发生明显滞留现象，大大降低了目标物与表面结合效率。近日，宁波大学/复旦大学余绍宁课题组携手上海交大第九人民医院刘玉杉课题组,开发了一种3D-SiO2多孔微流控芯片，增强了外泌体的捕获效率，实现了对外泌体的超灵敏检测。研究成果以“UltrasensitiveAnalysis of Exosomes Using 3D Self-assembled Nanostructured SiO2Microfluidic Chip”为题，作为封面论文发表在ACSApplied Materials & Interfaces上(doi: 10.1021/acsami.1c22569)。复旦大学化学系博士研究生李巧玉为论文第一作者，宁波大学材化学院所属质谱研究院余绍宁教授、上海交大第九人民医院刘玉杉、于国鹏博士为共同通讯作者。
作者通过胶体自组装技术将具有良好生物相容性的SiO2纳米粒子引入到芯片中，构建了三维有序的纳米多孔结构阵列，纳米孔径约200nm，允许外泌体从孔隙通过，克服了液固界面的流动阻力。通过流体仿真和荧光纳米粒子在芯片内的扩散行为验证了3D-SiO2多孔芯片的独特优势（图1）。流体仿真结果表明，与实体混合器芯片相比，流体可以进入多孔域，显示出内部流速较低，角落和外表层流速较高的现象，通过计算得出进入多孔结构的流量占总流量的12%。流体扩散行为也显示出纳米孔的渗透现象，允许外泌体通过并部分保留。
图1. 3D-solid和3D-SiO2芯片流体仿真速度场与扩散行为对比作者将芯片应用于荷瘤小鼠和前列腺癌病人血清样本外泌体的检测，并与商业ELISA试剂盒进行了对比（图2）。小鼠结果显示3D-SiO2多孔芯片对单个标记物检测的性能优于商业ELISA与PSMA，显示出较好的肿瘤特异性，联合使用三种抗体检测可明显区分对照组与早期PCa组、早期PCa与晚期PCa。病人血清样本结果显示，3D-SiO2多孔芯片可以区分正常人与前列腺癌病人，CD81在对照组中几乎没有表达，展现出良好的肿瘤特异性。整体来看，蛋白表达较高的样本两种方法检测结果都是高表达的。免疫组织荧光显示，外泌体与实体肿瘤之间存在相关性，支持了外泌体作为肿瘤非侵入性液体活检的应用潜力。
图2. 3D-solid芯片在荷瘤小鼠、前列腺癌病人血清中的应用研究 该研究发展的3D-solid芯片集成外泌体富集与检测，提高了外泌体的捕获效率，检测限可低至~220 particles/μL，为外泌体的超灵敏检测与分析提供了新的方法，有望应用于外泌体的临床检测。UltrasensitiveAnalysis of Exosomes Using a 3D Self-Assembled Nanostructured SiO 2Microfluidic Chip. ACS Appl Mater Interfaces. 2022 Feb 24. doi: 10.1021/acsami.1c22569.外泌体资讯网 ACS APPL MATER INTER | 宁波大学/复旦大学余绍宁，上海交大九院刘玉杉：微流控芯片超灵敏分析外泌体的新策略
