基于離子濃度極化的微流控平臺用于ctDNA的高靈敏度檢測

循環(huán)腫瘤DNA（circulating-tumor DNA，ctDNA）是指人體血液中腫瘤細(xì)胞體細(xì)胞DNA經(jīng)脫落或者當(dāng)細(xì)胞凋亡后釋放進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，其中包含著癌癥早期診斷和預(yù)后監(jiān)測等重要信息。然而，ctDNA的精準(zhǔn)檢測面臨著三大問題：（1）臨床樣本（例如血液、尿液、糞便等）成分復(fù)雜；（2）ctDNA的半衰期較短（< 2小時）；（3）ctDNA豐度極低，僅占循環(huán)游離DNA（cfDNA）總量的0.5 ~ 10%。傳統(tǒng)ctDNA富集和純化通常是基于磁珠和二氧化硅膜，然而，當(dāng)處理大量樣品時，這些技術(shù)難以實現(xiàn)快速、高效的富集，并且操作復(fù)雜，檢測靈敏度有限。因此，迫切需要一種創(chuàng)新的ctDNA富集與分析技術(shù)，以提高臨床診斷的靈敏度。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對這一需求，北京航空航天大學(xué)樊瑜波、常凌乾、王楊等人在《ACS NANO》（IF: 17.1）期刊上發(fā)表了題為“An ion concentration polarization micro-platformfor efficient enrichment and analysis of ctDNA” 的研究文章。該研究開發(fā)了一種基于離子濃度極化的微流控平臺，能夠在30秒內(nèi)從血清、尿液和糞便等各種臨床樣品中快速、高效地富集和純化ctDNA，并集成等溫擴(kuò)增模塊，將ctDNA的檢測靈敏度提高了100倍，顯著消除了因ctDNA豐度低而導(dǎo)致的樣本假陰性結(jié)果。

離子濃度極化（ICP）是一種新興的原位分子富集和純化方法，在陽離子選擇性的Nafion膜上施加垂直電場，根據(jù)帶電分子的電滲透力和電泳力進(jìn)行分離和純化。同時結(jié)合“自由流動”的概念，形成基于“自由流動ICP（FF-ICP）”的連續(xù)分離方法。對于帶有負(fù)電荷的核酸分子，受到向下的電滲透力（EO）和不斷增加的向上的電泳力（EP）的共同作用，被電動力學(xué)捕獲，形成離子富集區(qū)。同時，施加連續(xù)的水平驅(qū)動力，使被富集到的核酸或蛋白分子水平推進(jìn)并收集，從而進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)增分析（圖1）。

圖1 “自由流動ICP”的原理圖

基于FF-ICP的DNA富集策略，研究團(tuán)隊設(shè)計了一種自供電、集成的微流控芯片，用于高靈敏度的核酸檢測。該微流控平臺有兩個功能區(qū)：核酸富集區(qū)和核酸等溫擴(kuò)增檢測區(qū)（圖2a）。兩個區(qū)域由一個“y形”提取通道連接。富集區(qū)內(nèi)固定了陽離子選擇性Nafion膜。在垂直電場和水平驅(qū)動力作用下，液體樣品中的核酸被富集，形成“陰離子流”，然后在“y”形提取通道處收集（圖2b）。隨后，“陰離子流”進(jìn)入檢測區(qū)，經(jīng)等溫擴(kuò)增后進(jìn)行定量分析（圖2c），剩余的溶液收集在廢液池中（圖2d）。

富集后的核酸進(jìn)入到核酸擴(kuò)增區(qū)之后，在含有100個微孔的檢測區(qū)，用LAMP法進(jìn)行等溫擴(kuò)增（65℃）。采用陽性微孔總數(shù)和每個微孔的熒光強(qiáng)度作為雙參數(shù)指示，使分析更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

為了給FF-ICP提供穩(wěn)定的水平驅(qū)動力，研究團(tuán)隊在微流控芯片中集成了一個自供電真空電池系統(tǒng)。電池使用預(yù)脫氣的PDMS，通過液體通道和真空通道之間的氣體交換提供“電力”，從而推動液體樣品流動（圖2e），使得整個平臺能夠在不需要外部泵的情況下，連續(xù)地向下游輸送和富集核酸分子，并進(jìn)行核酸擴(kuò)增，具有用戶友好的性能。

圖2 基于FF-ICP的集成微流控平臺，用于連續(xù)的核酸富集和擴(kuò)增

進(jìn)一步研究結(jié)果表明，這種微流控平臺可以用于檢測臨床患者血清中的ctDNA。與未處理樣品相比，該微流控平臺的富集效果和純化能力明顯高于試劑盒（圖3a ~ 3c）。同時，最終的擴(kuò)增結(jié)果也顯示，該微流控平臺能夠達(dá)到100拷貝/mL的靈敏度，比傳統(tǒng)方法（基于二氧化硅/磁珠的DNA提取與PCR擴(kuò)增）提高了100倍（圖3d）。

在臨床應(yīng)用中，研究人員對北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院提供的38例非小細(xì)胞肺癌患者的血清樣本進(jìn)行EGFR外顯子19缺失突變的檢測。結(jié)果表明，這種微流控平臺的靈敏度顯著高于傳統(tǒng)PCR技術(shù)，達(dá)到了100%，能夠大大避免了因ctDNA濃度不足而造成誤診的風(fēng)險（圖3e和3f）。

此外，該微流控平臺檢測到的早期患者血清中ctDNA的含量明顯低于中晚期患者，證明該平臺的定量判斷能力可以預(yù)測患者的腫瘤發(fā)展（圖3g和3h）。此外，該微流控平臺通過將分析物的提取和富集（FF-ICP）與進(jìn)一步的生物分析技術(shù)進(jìn)行無縫集成，為超低豐度生物標(biāo)志物的檢測帶來巨大的好處。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，該平臺的靈敏度顯著提高了兩個數(shù)量級，能夠避免因濃度不足導(dǎo)致的誤診風(fēng)險，尤其有利于臨床感染篩查或者早期腫瘤診斷。

圖3 利用基于FF-ICP的微流控平臺檢測血清中ctDNA

該研究第一單位為北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院和生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心。通訊作者包括北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院常凌乾教授，樊瑜波教授，王楊副教授，上海感染與免疫科技創(chuàng)新中心徐高連研究員。核心作者包括北航博士生王之瑩（第一作者）、碩士生劉明（共一）、北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院吳楠教授、北京大學(xué)第三醫(yī)院林成浩主任（共一）等。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07137

審核編輯：劉清