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在最新出炉的一项研究中，密歇根大学的研究团队开发出一种新型微流控芯片，这一创新可以有效捕获血浆中的外泌体，用以识别肺癌的早期迹象。这项新技术允许通过抽血进行肺癌诊断，相比传统方法，其诊断速度提升了10倍，而灵敏度更是提高了14倍。
这项研究成果已经在线发表于2024年9月27日的《Matter》期刊上，论文题为《使用定向手性纳米颗粒的微流控技术对癌症相关细胞外囊泡进行手性光学检测和突变分析》。
外泌体：细胞通讯的使者
在过去十年中，科学家们逐渐认识到外泌体的重要性。外泌体是一种微小的囊泡，内含蛋白质、基因片段或RNA等物质，在细胞间起到了重要的通信作用。健康细胞中的外泌体能够将重要信号传递至全身各处，但癌细胞的外泌体却能促进肿瘤的扩散，它们在肿瘤细胞到来之前，使目标组织做好接收准备。
作为论文的共同通讯作者，密歇根大学的化学与生物医学工程教授Sunitha Nagrath指出：“从肿瘤微环境中分离出来的癌细胞外泌体在外部世界充当着为肿瘤细胞生长的‘准备环境’的角色。肿瘤细胞随后从所在肿瘤中脱落，通过血液循环进入这个经过‘准备’的环境，并开始增殖。”
外泌体的手性奥秘
外泌体外层和内包裹的蛋白质同样携带手性。与很多生物分子相似，这些蛋白质呈现出左旋或右旋的特性，从而以独特的方式与光进行相互作用。在癌症相关外泌体中，表面蛋白质往往会发生突变，使得这些突变改变了蛋白质的氨基酸序列，因此影响其形状和手性。这些细微的变化可以通过圆偏振光与其交互作用来检测，并产生强烈信号，由光电检测器捕获。
捕捉外泌体的“黄金捕手”
然而，通常情况下，这些光信号过于微弱，难以被及时解析。此外，要进行检测，需要从血液中提取外泌体，但由于外泌体仅有30至200纳米的大小，操作颇具挑战。研究团队设计了一种独特的金纳米颗粒，其扭曲的圆盘结构上设有一个空腔，能够精准捕捉外泌体。这种空腔由于在大小、形状和表面化学特性上高度匹配外泌体，因而能够稳定捕捉。这些同样具有右旋的纳米颗粒与右旋光产生共振，强化信号返回，然而对左旋光影响不大，该特性被称为圆二色性。
光电检测与CDEXO芯片的新技术
捕获外泌体后，其携带的蛋白质沉入空腔中，当微流控芯片渠道中流动时，能够揭示出健康个体与肺癌患者样本之间不同的特征。论文的另一位共同通讯作者，密歇根大学化学科学与工程教授Nicholas Kotov表示：“虽然我预期到金纳米颗粒的光学响应与蛋白质突变相关，但其高灵敏度让我颇为惊喜，这得益于金纳米颗粒在设备内部的一致性方向。”
这种运用圆二色性进行检测的微流控芯片被称为CDEXO芯片，它能够识别特定的肺癌突变，辅以医生做出针对性治疗的决策。研究团队希望此芯片能够与传统诊断方法结合使用，并随着技术成熟，可用于筛查其他癌症类型，提升早期检测能力。
Nagrath教授表示：“我们的下一步计划是研究大多数已知实体瘤中存在的突变蛋白质，分析它们光谱特性的差异。基于此，我们希望推动这项技术进一步提高在识别蛋白质差异方面的精度。”
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