美國圣母大學《ACS Nano》：用于細胞外納米載體的可擴高通量等電位分離平臺

微流控 ( microfluidics ) 是一種以在微納米尺度空間中對流體進行精確操控為主要特征的科學技術(shù)，具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。該技術(shù)通過對流量的控制，實現(xiàn)化學分析、藥物篩選、細胞培養(yǎng)、基因檢測等多種功能，在時間和空間上為實驗機構(gòu)研究分子濃度控制帶來了全新的技術(shù)解決方案。

微流控的兩項主要應(yīng)用為POCT和生物制藥科研（包括測序、基因組學和蛋白質(zhì)組學）。根據(jù)Nova One Advisor報告，2023年全球微流控產(chǎn)品市場規(guī)模達到321.7億美元，2024至2033年期間的年復合增長率可達12.24%，預(yù)計2033年將達到1020.8億美元。同時，微流控設(shè)備的市場規(guī)模在2024~2033年，年復合增長率為12.56%。可以預(yù)見，微流控芯片技術(shù)將在生物醫(yī)藥的科研與實際應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用。

現(xiàn)階段，微流控技術(shù)主要應(yīng)用在即時檢驗和生物制藥、生命科學研究等領(lǐng)域。隨著微納3D打印技術(shù)的迭代發(fā)展，其可快速將模型數(shù)據(jù)形成實物，具有簡化步驟，縮短論證時間和開發(fā)周期等優(yōu)勢，為微流控技術(shù)研發(fā)提供了更廣闊的創(chuàng)新空間。

細胞外納米載體（包括細胞外囊泡（EVs）、脂蛋白和核糖核酸蛋白）在蛋白質(zhì)和核酸的細胞間通訊中發(fā)揮媒介作用，并且作為循環(huán)生物標志物在臨床上具有適用性。然而，由于納米載體在大小和密度上的重疊，使得迄今為止難以有效地進行物理分離，這進而阻礙了對下游分子的分析。

基于此，來自美國圣母大學的Hsueh-Chia Chang教授團隊研發(fā)了一種無偏差、高通量和高產(chǎn)量的連續(xù)等電位分離納米載體分離技術(shù)。該技術(shù)基于它們的等電點。這個納米載體分離平臺通過在雙極膜上進行水的分解提供了一個強大且可調(diào)節(jié)的線性pH剖面，并通過流動穩(wěn)定化，而無需使用兩性電解質(zhì)。

雖然研究團隊已經(jīng)針對關(guān)鍵納米載體在干擾緩沖液中校準了pH流出范圍，但納米載體的等電點可能在血漿和其他生理液體中發(fā)生變化。為了考慮等電點的變化并實現(xiàn)精細分離，需要進行繁瑣的調(diào)整，從pH梯度芯片中選擇所需的pH范圍，然后進行視覺檢查和與pH參考表的比較。

為了減少驅(qū)動的偏差并提高設(shè)備重復性，研究團隊開發(fā)了一種自動CIF分析器。這是一種利用機器學習的平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的pH檢測，可以針對不同的生理流體和納米載體進行重新校準。該分析器的工作流程由兩個主要模塊組成：圖像分割模塊和pH檢測模塊。圖像分割模塊通過機器學習技術(shù)來識別ROI，而pH檢測模塊則通過應(yīng)用專門開發(fā)的校準曲線，為ROI內(nèi)的每個像素分配pH值，從而創(chuàng)建出ROI的空間pH分布圖。

研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）高精度3D打印技術(shù)制作出CIF微流控平臺。優(yōu)化后的技術(shù)具有0.3 ΔpI的分辨率，足以分離所有納米載體甚至納米載體的亞類。然后使用包括血漿、尿液和唾液樣本在內(nèi)的幾種生物流體對其性能進行評估。在30分鐘內(nèi)，從各種生物流體的0.75 mL樣本中實現(xiàn)了全面、高純度（血漿：>93%，尿液：>95%和唾液：>97%）、高產(chǎn)率（血漿：>78%，尿液：>87%和唾液：>96%）和無探針的核糖核酸蛋白分離，明顯超越了那些產(chǎn)量較低且需要較長時間的高偏差黃金標準。EVs和不同脂蛋白的二元分離也實現(xiàn)了類似的性能。

該研究為利用3D打印微流控芯片進行疾病監(jiān)控提供了全新視角。該研究工作以“A Scalable High-Throughput Isoelectric Fractionation Platform for Extracellular Nanocarriers: Comprehensive and Bias-Free Isolation of Ribonucleoproteins from Plasma, Urine, and Saliva"為題，發(fā)表在國際著名期刊《ACS Nano》上。