基于磁珠的液滴微流控平台，用于细胞外囊泡的高效分离

细胞外囊泡（EVs）作为各种疾病的生物标志物正迅速受到研究人员的青睐，其可以充当来源细胞的宝贵信息载体。然而，尽管细胞外囊泡具有重要价值，但其在临床实践中的应用仍然有限。在众多限制因素中，最关键的因素之一是分离细胞外囊泡所面临的挑战。事实上，目前采用的主流细胞外囊泡分离方法存在分离纯度低、通量小以及重现性差等问题。

据麦姆斯咨询报道，为解决上述问题，近期，来自意大利帕多瓦大学（University of Padova）等机构的研究人员开发了一种液滴微流控平台，该平台能够利用磁珠的免疫捕获亲和力，实现细胞外囊泡的高效分离。该平台能够在相对较短的时间内（4.5小时）处理大量样品（2 mL），并且其自动化程度相当高。

此外，研究人员将基于液滴微流控平台的细胞外囊泡分离方法与市售方法进行了比较，结果表明，基于液滴微流控平台的细胞外囊泡分离方法所需的孵育时间更短（市售方法所需的孵育时间为其2.5倍），捕获效率更高（其捕获效率为市售方法的2.5倍）。相关研究成果以“Droplet microfluidic platform for extracellular vesicle isolation based on magnetic bead handling”为题发表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。

具体而言，研究人员首先介绍了其开发的液滴微流控平台。如图1所示，为分离细胞外囊泡而开发的液滴微流控平台由三个连续的自动化模块组成：（1）液滴生成器；（2）液滴孵育器；（3）磁珠提取器。各模块由注射器或压力控制器控制。实验开始前，将含有磁珠和细胞外囊泡的样品先存放在一个摇动装置中，以防止磁珠沉降。在通过双T型接头生成液滴的过程中，启动注射器并将控制器的压差（ΔP）设为零，同时保持阀门关闭，以便使液滴从出口5流出PDMS基微流控芯片（见图1）。注入微流控芯片中的分散相和连续相的流速可以调节，以获得所需大小的液滴。经过适当优化后，最终将载体油、水性样品和矿物油的流速分别设定为30 μL/min、250 μL/min和60 μL/min，从而生成体积为980 ± 60 nL的液滴。

用于分离细胞外囊泡的液滴微流控平台及其工作流程示意图

当所有的起始样品都被分散生成液滴后，关闭注射器，打开阀门，并启动压力控制器，以控制液滴的运动。具体而言，通过交替施加正负压差（50 ~ 200 mbar），在毛细管内进行的时长可调的孵育过程中，液滴会来回运动，从而促进其内容物的混合，并进一步增加细胞外囊泡与磁珠相遇和结合的几率。

孵育结束后，阀门被再次关闭，利用与入口1连接的注射器将液滴引导至微流控平台的第三个模块——磁珠提取模块中，以提取磁珠。在该模块区域，将磁化金属尖端靠近毛细管，从而可以在母液滴流动时从其中提取磁珠。一旦液滴完全从磁化金属尖端前方通过，磁珠被完全捕获，磁珠团便会被包裹在一个微小的液滴中。液滴最终的体积取决于磁珠的数量，通常，当磁珠的数量在10⁴到10⁷之间时，生成的液滴的体积在5 nL到50 nL之间。

随后，将磁铁从毛细管附近移开，磁珠会从毛细管中流出。将其收集到预装入水溶液的常规PCR管中，用于随后的细胞外囊泡分析。总而言之，只需将磁化金属尖端从磁珠提取模块区域移开几毫米，使磁珠不再受到磁力作用，就能轻松完成磁珠的提取。

液滴内磁珠捕获效率的表征

在后续的研究过程中，研究人员对开发的微流控平台进行了表征，并展示了利用生物样本对微流控平台的性能进行验证的结果。此外，通过蛋白质表征、细胞外囊泡定量和成像等手段，研究人员将基于液滴微流控平台的细胞外囊泡分离方法与传统的超速离心法和商业试剂盒方案进行了系统地比较。最后，研究人员还对分离出的细胞外囊泡的microRNA含量进行了评估。

液滴微流控平台对不同起始样品量（V = 50 ~ 2000 µL）的处理能力

液滴微流控平台分离细胞外囊泡的性能验证

综上所述，在这项研究中，研究人员提出并验证了一种基于液滴微流控技术和磁珠的新型平台，并将其成功用于分离细胞外囊泡。值得注意的是，与使用市售方法相比，液滴微流控技术可以在更短的孵育时间内将捕获效率提高2.5倍。此外，与单相微流控器件相比，该研究提出的微流控平台在样品量（最多2 mL起始样品）和分析通量（超过400 μL/h）方面也有显著提高。因此，可以认为，使用液滴微流控技术进行细胞外囊泡分离在基础研究和临床应用方面都具有巨大潜力。不过，对于临床样本（如血浆或血清）的处理，可能需要对表面活性剂进行专门优化，以确保液滴的稳定性，同时还需要对用于免疫捕获的磁珠涂层进行优化。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135583

审核编辑：刘清