Nat Biomed Eng | 75 分钟完成检测！集成化离心式圆盘微流控装置：癌症液体活检中细胞外囊泡的高效富集与蛋白谱分析

期刊：Nature Biomedical Engineering ( IF =26.6 )

发表日期：2026年1月28日

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01601-7

液体活检作为一种微创手段，可获取肿瘤相关分子信息，用于疾病监测。细胞外囊泡(EV)作为细胞释放的膜包纳米颗粒，携带反映母细胞状态的生物分子，是极具潜力的生物标志物。然而，当前EV分离方法通常耗时、依赖人工操作且易受污染，尤其是血液中大量存在的脂蛋白颗粒与EV在尺寸和密度上相似，干扰分析。因此，开发一种自动化、高通量且高纯度的EV处理系统是推动EV诊断临床转化的关键。

来自美国麻省总医院及韩国庆北大学的研究者们提出了名为SpinEx 的集成化离心式圆盘微流控装置，实现了从全血中自动化分离、富集和多重免疫标记EV的全流程处理。该系统在单一样本中可同时检测16种蛋白质标志物，并在临床血浆样本中验证了其在癌症检测（90%准确率）和五种常见癌症分类（96%准确率）中的高灵敏度和特异性，为EV临床检测提供了高效、可扩展的解决方案。该研究成果以“Automated disc device for multiplexed extracellular vesicle isolation and labelling from liquid biopsies in cancer diagnostics”为题，发表在《Nature Biomedical Engineering》期刊上。

本文创新点：

l 集成化“盘上”纯化模块：在离心盘内首创集成了双模式色谱柱，通过尺寸排阻与离子交换的协同作用，在数分钟内高效去除血浆中大量脂蛋白，实现了高纯度细胞外囊泡的自动化、快速富集。

l 突破性的“向心”流体操控：设计了基于高密度油相置换的流体机制，实现了液体样本在离心力场中向盘中心的逆向（向心）传输，克服了传统离心微流控单向流动的限制，极大提高了设备的功能集成密度。

l 无偏、并行的全流程分析：采用吸附法在微珠上无偏捕获囊泡，并结合毛细阀实现多通道等量分液，最终在单盘、单次运行（75分钟）内，完成从全血到囊泡的多重蛋白质标记（可达16靶标），为高通量、一致性的临床样本分析奠定了基础。

研究图文解析：

图1展示了SpinEx集成式离心盘系统的整体架构与工作流程。该平台将血浆分离、EV富集、微珠捕获及多重荧光标记等一系列复杂步骤集成于一个一次性塑料盘内，并配备定制化台式旋转控制系统，实现了从全血样本输入到标记EV输出的全自动化、封闭式处理流程，为后续高通量检测奠定了硬件基础。

图2阐释了从全血中实现EV富集与逆向输运的关键微流控步骤。通过倾斜通道设计强化血浆分离，利用盘载双模式色谱柱选择性去除脂蛋白，并创新性地采用高密度油相作为驱动力，将目标EV液段逆向（向心）推送至盘体中心区域，从而克服了离心力场中流体单向流动的限制，为后续模块的紧凑集成提供了解决方案。

图3通过系统性实验数据验证了SpinEx各分离模块的性能。结果表明，倾斜通道设计显著提升了血浆分离速度；盘载色谱相较于传统柱色谱能更有效地去除低密度脂蛋白，提高EV纯度；电子显微镜及单颗粒荧光成像直接证实了目标馏分中EV的成功富集与脂蛋白的去除。

图4解析了EV捕获与并行多重标记的微流控设计。通过引入毛细阀实现EV-微珠复合物向多个标记腔的精准、等体积分配，利用盘体的摆动模式促进混合，并验证了各腔室间无液体交叉污染，确保了后续多重蛋白质检测的独立性与准确性。

图5对比并优化了EV在微珠上的捕获策略。实验证明，基于物理吸附的捕获方法相较于依赖特定表面抗原的免疫捕获，能实现更高且更稳定的EV捕获效率，这是由于吸附法避免了因EV表面标志物表达异质性造成的捕获偏差，从而为无偏倚的群体分析提供了优势。

图6该部分评估了基于SpinEx平台的EV蛋白质分析性能。通过流式细胞术检测单个微珠上的双荧光信号，建立了高灵敏度的EV定量与蛋白表达分析方法，其检测限显著优于传统ELISA，并通过比率计量法有效校正了EV负载量的差异，实现了对不同细胞来源EV的精准蛋白谱分析。

图7展示了SpinEx技术在临床癌症诊断与分型中的应用价值。通过对221例临床血浆样本中30种EV蛋白标志物的自动化分析，结合机器学习算法构建的诊断模型，在独立测试集中实现了高准确性的癌症检测（90%）及五种肿瘤类型的区分（96%），证明了该集成化平台在转化医学中的巨大潜力。

总结与展望：

SpinEx成功将EV分离、富集与多重标记集成于单一离心盘平台，实现了从样本输入到信号输出的全自动化流程，显著提升了EV分析的效率、一致性和临床适用性。该系统在癌症诊断与分型中表现出优异的性能，为液体活检的临床应用提供了有力工具。未来工作可进一步优化硬件自动化、发展模块化盘设计、拓展至胞内蛋白检测，并通过更大规模临床研究验证其在多癌种早期诊断与疗效监测中的潜力。