編輯丨王多魚
排版丨水成文
ctDNA全稱為circulating-tumor DNA，是指人血液中腫瘤細胞體細胞DNA經脫落或者當細胞凋亡後釋放進入循環系統，故被稱為循環腫瘤DNA，包含著癌癥早期診斷和預後監測等重要信息。然而，ctDNA的精準檢測面臨著三大問題：
臨床樣本（如血液、尿液、糞便）等成分復雜；
ctDNA的半衰期較短（<2小時）；
ctDNA豐度極低，僅占循環遊離DNA（cfDNA）總量的0.5%-10%。
傳統ctDNA富集和純化通常是基於磁珠和二氧化矽膜，然而，當處理大量樣品時，這些技術難以實現快速、高效的富集，並且操作復雜，檢測靈敏度有限。因此，迫切需要一種創新的ctDNA富集與分析技術，以提高臨床診斷的靈敏度。
近日，北京航空航天大學王楊、常凌乾、樊瑜波，上海感染與免疫科技創新中心徐高連等在 ACS Nano 期刊上發表了題為：An ion concentration polarization micro-platform for efficient enrichment and analysis of ctDNA 的研究論文。
該研究開發了一種基於離子濃度極化的微平臺，能夠在30秒內從血清、尿液和糞便等各種臨床樣品中，快速、高效地富集和純化ctDNA。並集成了等溫擴增模塊，將ctDNA的檢測靈敏度提高了100倍，顯著消除了因ctDNA豐度低而導致的樣本假陰性結果。
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，根據帶電分子的電滲透力和電泳力進行分離和純化。同時結合“自由流動”的概念，形成基於“自由流動ICP（FF-ICP）”的連續分離方法。對於帶有負電荷的核酸分子，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，被電動力學捕獲，形成離子富集區。同時，施加連續的水平驅動力，使被富集到的核酸或蛋白分子水平推進並收集，從而進行後續的擴增分析（圖1）。
圖1. “自由流動ICP”的原理圖
基於FF-ICP的DNA富集策略，研究團隊設計了一種自供電、集成的微流控芯片，用於高靈敏度的核酸檢測。微平臺有兩個功能區：核酸富集區、核酸等溫擴增檢測區（圖2a）。兩個區域由一個“y形”提取通道連接。富集區內固定了陽離子選擇性的Nafion膜。在垂直電場和水平驅動力作用下，液體樣品中的核酸被富集，形成“陰離子流”，然後在“y”形提取通道處收集（圖2b）。隨後，“陰離子流”進入檢測區，經等溫擴增後進行定量分析（圖2c）。剩餘的溶液收集在廢液池中（圖2d）。
富集後的核酸進入到核酸擴增區之後，在含有100個微孔的檢測區，用LAMP法進行等溫擴增（65℃）。采用陽性微孔總數和每個微孔的熒光強度作為雙參數指示，使分析更加準確和穩定。
為了給FF-ICP提供穩定的水平驅動力，團隊在生物芯片中集成了一個自供電真空電池系統，電池使用預脫氣的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，連續地向下遊輸送和富集核酸分子，並進行核酸擴增，具有用戶友好的性能。
圖2. 基於FF-ICP的集成微平臺用於連續的核酸富集和擴增
利用微平臺檢測臨床患者血清中的ctDNA。與未處理樣品相比，該裝置的富集效果和純化能力明顯高於試劑盒（圖3a-3c）。同時，最終的擴增結果也顯示，該微平臺能夠達到100拷貝/mL的靈敏度，比傳統方法（基於二氧化矽/磁珠的DNA提取與PCR擴增）提高了100倍（圖3d）。
在臨床應用中，對北京大學腫瘤醫院提供的38例非小細胞肺癌患者的血清樣本進行EGFR外顯子19缺失突變的檢測。結果表明，微平臺的靈敏度顯著高於傳統PCR技術，達到了100%，能夠大大避免了因ctDNA濃度不足而造成誤診的風險（圖3e和3f）。此外，該裝置檢測到的早期患者血清中ctDNA的含量明顯低於中晚期患者，證明該平臺的定量判斷能力可以預測患者的腫瘤發展（圖3g和3h）。通過將分析物的提取和富集（FF-ICP）與進一步的生物分析技術進行無縫集成，為超低豐度生物標志物的檢測帶來巨大的好處。與傳統檢測技術相比，該平臺的靈敏度顯著提高了兩個數量級，能夠避免因濃度不足導致的誤診風險，尤其有利於臨床感染篩查或者早期腫瘤診斷。
圖3. 用FF-ICP裝置檢測血清中ctDNA
該研究第一單位為北航生物與醫學工程學院和生物醫學工程高精尖創新中心。通訊作者包括北航生物與醫學工程學院常凌乾教授、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）、北京大學腫瘤醫院吳楠教授、北京大學第三醫院林成浩主任（共一）等。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c07137