肿瘤外泌体检测是非侵入性乳腺癌诊断中临床上最相关的液体活检方法之一。然而，由于样品要求大、精度低和程序复杂，传统方法通常不适合常规使用。为了克服这些挑战，作者开发了一种新型光学生物芯片，将泪液收集、外泌体富集和检测集成到一个平台中。该生物芯片仅需14μL泪液，并采用双生物标志物适配体同时识别和捕获目标外泌体，形成夹心状复合物。随后，该芯片通过声辐射丰富这些三明治复合物，从而能够分离干扰和信号放大。因此，该生物芯片对乳腺癌细胞外泌体表现出优异的特异性和超高的灵敏度，检测限低至1.2 × 102±0.16 × 102 粒/mL，检测时间约为10.42min。此外，这种光学生物芯片首次用于检测泪液中与乳腺癌相关的外泌体，以100%的灵敏度和特异性有效区分乳腺癌患者和健康供体，为现场乳腺癌诊断和个性化医疗健康提供了一种有意义的方法。
成都奥创生物参与了名为《Microsampling and exosome-enriched optical biochip for non-invasive detection of breast cancer exosomes in clinical human tear fluid》的实验项目，这项研究为乳腺癌诊断领域提供了一种有前景的策略，具有巨大的潜在临床应用价值。
文章名：
Microsampling and exosome-enriched optical biochip for non-invasive detection of breast cancer exosomes in clinical human tear fluid（微量采样和富含外泌体的光学生物芯片用于临床人泪液中乳腺癌外泌体的无创检测）
Biosens Bioelectron
doi:10.1016/j.bios.2025.117507
挂名引用：
期刊介绍：
期刊名：BIOSENSORS & BIOELECTRONICS
2024年影响因子/JCR分区：10.5/Q1
学科与分区：
Biochemistry, Genetics and Molecular Biology（Q1)；Biophysics（Q1）
出版国家或地区：NETHERLANDS
乳腺癌是女性群体中最常被诊断出的恶性肿瘤，也是导致女性死亡的主要原因。 研究表明，早期诊断可使乳腺癌患者在接受治疗后获得超过80%的10年生存率。 作为一种非侵入性诊断方法，液体活检通过检测体液中与癌症相关的生物标志物，提供了一种前景广阔的诊断途径。 外泌体是尺寸介于40至150nm之间的囊泡，由各类活细胞主动分泌。 由于外泌体携带来自母体细胞的关键信息（包括各种蛋白质、脂质、DNA和RNA），且广泛稳定地存在于生物体液（如血清、泪液、唾液、尿液和腹水）中，它们被视为液体活检中最具代表性的生物标志物。
目前，外泌体检测方法如纳米颗粒追踪分析（NTA）、蛋白质印迹（Western blotting）、酶联免疫吸附试验（ELISA）和生物传感器等，在灵敏度与特异性不足、分析流程复杂等技术障碍被克服之前，尚无法作为常规诊断工具使用。 此外，外泌体的来源样本对临床诊断至关重要。 与血液、尿液和唾液等样本不同，由于血眼屏障的存在，泪液中含有的细胞碎片、高浓度水溶性或脂溶性代谢物以及蛋白酶相对较少。 因此，泪液作为外泌体的优质来源，已成为"最洁净"的生物体液之一，被广泛应用于疾病检测领域。 然而泪液检测面临着样本体积微小、采集困难等挑战。 当前亟需能整合微量采样、外泌体富集与检测功能的集成化工具。
声流控技术是一项融合声学与微流体的尖端技术，其核心原理是通过耦合超声波实现对微通道中细胞、颗粒及液滴等微小物体的精准操控，包括分离、富集、分选和定位等操作。 该技术具有非接触式、低功耗和生物相容性等优势。 此外，通过对微流道进行物理和化学修饰，可精确控制液体体积与流向，有利于微量液体的主动收集。 近年来，随着床旁检测（POC）技术的临床需求与纳米级荧光生物传感器的发展，声流体器件已逐步实现小型化，并与纳米级荧光生物传感器相结合，用于生物标志物的现场检测。然而，这些即时检测平台由于依赖单一识别元件，往往会产生假阳性结果。相比之下，双识别元件荧光生物传感器利用两种生物标志物的互补特性，可显著提高目标特异性并降低假阳性率。 这一进展为疾病诊断和治疗提供了更可靠、更精准的方法。
基于上述研究背景，团队开发了一种用于现场分析泪液中乳腺癌细胞外泌体的微量采样与富集光学生物芯片。目前尚未有便携式设备能将泪液采集、外泌体分离与检测整合于统一平台。光学生物芯片的构建不仅使乳腺癌等重大疾病的早期筛查更加便捷可及，还推动医疗健康朝着个性化和精准化的方向发展。
要点一：
作为便携式光学生物芯片的重要组成部分，该超声驱动板集成了场效应晶体管（MESFET）、电源、模数转换器（ADC）、低通滤波器（LPF）、脉宽调制（PWM）和频率调制（FM）元件，使光学生物芯片能够满足即时检验（POCT）的便携性要求（图1C）。展示了与印刷电路板对应的信号电路图，其中包括信号生成部分。
要点二：
实验室对此生物芯片进行了性能评价。随着目标外泌体浓度的增加，光学生物芯片的荧光颜色逐渐加深，从而实现现场分析。 在超声富集前，捕获探针和检测探针与目标外泌体的最佳孵育时间为9分钟 。 随着超声处理时间的延长，形成的复合物荧光颜色逐渐加深，并于35秒时趋于稳定。 因此，该生物芯片完成样本采集、富集和分析的全过程共耗时10.42分钟。
要点三：
通过细胞实验和临床实验证明此生物芯片具有良好的时间稳定性、温度稳定性和湿度稳定性。
图1光学生物芯片的工作原理与设计
(A) 用于检测泪液中乳腺癌外泌体的光学生物芯片示意图。(B) 便携式光学生物芯片的分解图。(C) 超声驱动板的物理结构示意图。比例尺：1.5厘米。(D) 超声驱动板的信号电路图。
图2 光学生物芯片的表征与性能评估
(A) CD63适配体-SiO2纳米颗粒的SEM图像。比例尺：1 μm 。(B) CD63适配体-SiO2纳米颗粒的SEM映射图像。比例尺：500 nm。(C) 材料的Zeta电位。(D) 二氧化硅纳米颗粒和CD63适配体-SiO2纳米颗粒的DLS。(E) 微流控芯片主动收集微体积液体的演示。(F) 光学生物芯片的细胞毒性实验。(G) 颗粒超声富集的示意图。(H) 压力分布的数值模拟。(I) CD63适配体-SiO2纳米颗粒超声富集过程的明场图像。比例尺：1 mm。(J) 纳米颗粒浓度与团簇尺寸的关系。(K) 不同介质中超声富集时间。(L) 不同条件下荧光现象的比较。比例尺：1 mm。富集团簇的时间-荧光图像(M)和时间-G值(N)。比例尺：1 mm。
图3 用于检测乳腺癌外泌体的光学生物芯片
(A) MCF-7细胞外泌体的TEM图像。比例尺：200 nm。(B) 外泌体的Western blotting。(C) MCF-7细胞外泌体的NTA数据。(D) 不同浓度外泌体聚集簇的荧光图像。(E) 外泌体浓度与G值的线性关系。(F) pH对外泌体检测的影响。(G) 光学生物芯片与 ELISA 试剂盒检测外泌体结果的比较。(H) 不同浓度细胞外泌体对应的G值。（n ≥ 3且***p < 0.001）。(I) 抗干扰实验和(J) 光学生物芯片的时间稳定性。
图4 用于临床样本检测的光学生物芯片
(A)光学生物芯片泪液采集与检测的示意图。(B)光学生物芯片对20份实际样本的G值测量结果。(C)CD63 ELISA 试剂盒、(D)MUC1 ELISA 试剂盒与(E)光学生物芯片对乳腺癌患者（n=10）及健康供体（n=10）样本的检测结果散点图。（***p < 0.001，**p < 0.01，*p < 0.1）。(F)临床泪液样本的ROC曲线分析。
本研究开发了一种用于泪液中乳腺癌外泌体原位检测的微量采样与外泌体富集光学生物芯片。该平台具有样本需求量低（14μL）、分析速度快（10.42min）和检测限低（1.2×10²粒/mL）等优势。 基于对双重标志蛋白CD63和MUC1的联合识别，该光学生物芯片在临床泪液样本筛检中实现了100%的敏感性和100%的特异性，能有效区分乳腺癌患者与健康女性。 值得注意的是，该生物芯片在乳腺癌早期诊断方面具有重要潜力，因为它能够检测泪液中的痕量外泌体，而这些外泌体可能在临床症状出现之前就已存在。 未来我们计划从三个方面推进研究工作。首先，通过增加适配体种类来拓宽传感器的适用范围，使其能够检测更多类型的癌症。其次，扩大临床样本量以进一步验证该平台的临床性能，包括准确性、可靠性和稳定性。第三，优化生产工艺并加强供应链管理，以降低生产成本并加速产品商业化进程。综上所述，该光学生物芯片为推进泪液活检技术奠定了坚实基础。
