微流控捕获与时空分析：肿瘤外泌体介导的恶性细胞转化的化学机制

《Biosensors and Bioelectronics》：Microfluidic Capture and Spatiotemporal Analysis: Chemical Mechanisms of Tumor Exosome-Mediated Malignant Cell Transformation

　　

赵雅楠|白俊杰|田一卓|陈亚飞|杜成|杨婷|陈明丽|王建华

中国沈阳110819，东北大学理学院化学系分析科学研究中心

摘要

肿瘤转移是恶性肿瘤导致死亡的主要原因。阐明其分子机制对于推动靶向治疗的发展具有重要意义。本研究构建了一种集成“动态稀释-精准捕获-机械刺激-原位分析”功能的微流控芯片平台。通过设计仿生狭窄通道，实现了外泌体的高效分离以及单细胞水平的功能研究。一方面，利用芯片内的机械微环境调节肿瘤细胞外泌体的分泌（使分泌水平提高两倍以上）以及关键蛋白的表达，从而揭示外泌体介导的细胞侵袭行为。另一方面，以乳腺癌为模型，比较了高转移性MDA-MB-231细胞与低转移性MCF-7细胞产生的外泌体对正常MCF-10A乳腺上皮细胞的恶性转化作用。通过CD43（与恶性转化相关的标志物）初步验证了转化效率，并对外泌体在上皮间质转化过程中的调控作用做出了合理推断。随后还在全血样本上进行了实验（0.5毫升全血的处理时间小于10分钟）。该研究为癌症免疫疗法提供了新的潜在靶点和干预策略。

章节节选

引言

肿瘤的多阶段演变始于原发部位细胞的无控制增殖，这一过程通常持续数年甚至更久，最终形成可临床检测到的实体瘤。1, 2 尽管原发肿瘤具有很强的局部侵袭性，但它们仅占癌症相关死亡的10%。大约90%的患者死亡是由从原发部位脱离并扩散的肿瘤细胞形成的转移灶所导致的

微流控装置的制备

该集成微流控装置由微混合器（20°PSC）和细胞捕获/培养芯片（CELL^CC）组成。20°PSC有两个出口，一个样品液入口（入口1），一个缓冲液入口（入口2），一个目标出口。CELL^CC有一个出口和两个出口。该微流控装置是通过标准的软光刻技术使用PDMS材料制成的。微通道图案是用AutoCAD（AUTODESK公司，美国）软件设计的，然后打印在透明薄膜上（苏州微凯德光掩膜有限公司）

微混合器的设计与优化

集成微流控装置的前半部分采用了旨在增强流体界面混合效果的微混合器。我们设计的微混合器形状类似海盗船的摆动路径，随着时间推移，海盗船的摆动越来越接近于与地面平行，这样人们就会感受到越来越强的失重感。当流体流动时，横向路径会变长，每个环路经过的弯曲微通道也会相应变化

结论

为了解决在复杂生物样本（如全血）中实现“高效捕获、原位调控及机制分析”这一瓶颈问题，本研究构建了一个集成微流控混合器（20°PSC）和单细胞微环境调控芯片（CELL^CC）的微流控平台。该平台成功实现了单细胞水平的一站式捕获与时空分析。该平台采用了具有“海盗船摆动路径”设计的微混合器，能够快速

CRediT作者贡献声明

赵雅楠：撰写——初稿、方法学、数据整理、概念设计。白俊杰：软件应用、正式分析。田一卓：验证、研究工作。陈亚飞：验证、监督指导。杜成：监督指导、资源提供。杨婷：撰写——审阅与编辑。陈明丽：撰写——审阅与编辑、监督指导、资源提供、资金筹集。王建华：撰写——审阅与编辑、监督指导、资金筹集

数据可用性

补充信息可在网站上免费获取。

文中提到的有关材料与化学品、仪器与图像分析、细胞培养、外泌体的提取与验证、伦理声明以及额外图表的更多信息均可在那里找到。文中提到的患者信息总结也以表格形式呈现。

可通过19.3微米荧光微球实时观察CELL^CC的捕获性能（捕获过程）（视频S1）。也可实时观察CELL^CC的捕获性能

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明没有财务利益冲突。

致谢

非常感谢中国国家自然科学基金委员会（项目编号：22274017、22334003）的财政支持。同时衷心感谢中国人民解放军北部战区总医院硕士研究生王伟的帮助。还要特别感谢东北大学分析测试中心的仪器支持与数据分析帮助。