阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病,是痴呆症的主要病因。脑组织中含有β淀粉样蛋白斑块和含有tau蛋白的神经原纤维缠结的存在是AD的两个标志。基于磁共振成像(MRI)的AD检测安全、方便、无创,但可能缺乏在早期诊断AD的敏感性。细胞外囊泡(EVs)是由细胞分泌的纳米/微米级囊泡,从AD患者血液样本中分离的EV携带膜Aβ和tau蛋白以及AD相关mRNA和microRNAs。然而,由于单个患者的EVs体积小且异质性高,因此在通过检测EVs进行AD的早期诊断和进展监测方面仍然存在挑战。 近日,杂志Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇题为“Extracellular vesicle-based point-of-care testing for diagnosis and monitoring of Alzheimer’s disease”的文章。作者开发了一种集成POCT传感器,可以检测AD患者的血清EVs,检测限低至500 EV颗粒/mL,检测时间缩短至仅2分钟。该集成POCT传感器用于监测AD小鼠模型的AD进展,在整个病理进展过程中,检测结果与MRI斑块负荷相关性良好,Pearson r = 0.920。超快的检测速度是该设备的一个关键特点,可以在2分钟内达到饱和,显示了OECT传感的重大突破。这项概念验证研究表明,此集成POCT传感系统可以应用于AD的快速微创诊断和预后。 图片来源:Microsystems & Nanoengineering POCT传感器由基于OECT的传感单元和声电EV富集单元组成(图b)。在间隔环(spacing ring)中加入患者血清样本或EV样本,细胞外囊泡可以在聚焦式声表面波与电脉冲作用下主动富集到传感区域。然后,携带Aβ和tau等膜蛋白的靶EV可以被包被在传感区域的相关抗体选择性捕获。一旦目标EV与传感区域结合,OECT传感器可以传感AD患者血液中目标EV的数量(图a)。 传感器的设计和工作原理。 图片来源:Microsystems & Nanoengineering 在测试临床样品之前,作者验证和测试了细胞外囊泡的声电富集和传感。作者使用红色荧光标记的EV测试不同的富集方法(图a)。结果显示,声电场同时作用可使细胞外囊泡获得最佳富集效果。通过纳米颗粒跟踪分析(NTA)和动态光散射(DLS)测量结果表明,纯化的细胞外囊泡具有预期的尺寸特性。进一步的实验结果显示,电脉冲主要对传输起作用,而声场主要对捕获起作用。电脉冲和声场的同时作用可以在不到2分钟的时间内完成细胞外囊泡的饱和吸附,这使得该设备非常适合POCT中的快速读数。 细胞外囊泡的声电富集与传感。 图片来源:Microsystems & Nanoengineering 作者将传感器应用于临床血清样本的AD诊断。设置孵育时间为2分钟(图a),结果显示检出限(LOD)为0.53 × 103 /mL,定量限(LOQ)为2.028 × 105 /mL。AD患者样本转移曲线的相对变化远远大于健康个体(图c)。纯化后的EVs结果与稀释后的临床样品结果一致,表明该传感器可以快速识别健康个体和患者,实现AD诊断。 血清EV样本诊断AD。 图片来源:Microsystems & Nanoengineering 作者研究了在5xFAD小鼠模型中应用此传感器监测AD进展的可行性。5xFAD小鼠过表达人类AD相关突变,包括APP和PSEN1。5xFAD小鼠在不同年龄组(4、12和18个月)进行MRI以及EV检测,血清样品稀释后使用抗Aβ42修饰的传感器芯片进行检测。结果显示,在整个病理进展过程中,MRI测定出的Aβ负荷(图 c)与传感器检测到的Aβ42 + EV(图d)均显著增高。且集成传感器与MRI斑块负荷相关性良好,Pearson r = 0.920(图e),这表明集成传感器可能是监测AD过程的有效替代工具。 监测AD小鼠模型的疾病进展。 图片来源:Microsystems & Nanoengineering 作者展示了一种集成POCT传感器,可以检测AD患者的血清EVs,检测限低至500 EV颗粒/mL,检测时间缩短至仅2分钟。该集成POCT传感器用于监测AD小鼠模型的AD进展,在整个病理进展过程中,检测结果与MRI斑块负荷相关性良好,Pearson r = 0.920。超快的检测速度是该设备的一个关键特点,可以在2分钟内达到饱和,显示了OECT传感的重大突破。这项概念验证研究表明,此集成POCT传感系统可以应用于AD的快速微创诊断和预后。 这种基于细胞外囊泡的POCT传感器在个性化医疗方面具有巨大的潜力,集成POCT传感器可以通过改变底物上的修饰抗体,应用于各种疾病的快速诊断和过程监测。不仅如此,这种只需要一微升样品的超快速和高灵敏度传感器非常适合评估和监测药物处理反应,在临床上具有很广阔的前景。 |