华人团队独创PCB声摄技术：30秒即可超速富集分离外泌体，精准调控血脑屏障
来源：生辉 2023-08-10 17:55
公开信息显示，此研究项目的负责人是英国卡迪夫大学医学工程系的博士生导师杨欣教授。他在细胞异质性的超声识别、亚细胞结构精确识别与分离等领域具有影响力。
近期，英国卡迪夫大学杨欣教授团队在声摄技术上取得了重要进展，该研究团队在 Small 发表了题为 Dual-Wave Acoustofluidic Centrifuge for Ultrafast Concentration of Nanoparticles and Extracellular Vesicles 的文章。并与华中农业大学崔旻教授团队、武汉睿健医药团队在 Biomaterial Research合作发表题为 Open source board based acoustofluidic transwells for reversible disruption of the blood–brain barrier for therapeutic delivery 的文章。
值得一提的是，这两项工作都利用了杨欣教授团队独创的 PCB（印刷电路板）声镊技术。
全球首创“双波模态”声镊器件，30 秒即可实现细胞外囊泡高效富集
第一篇研究创新性地将薄膜柔性 PCB 在压电基底上进行重排，产生了世界首创的“双波模态”声镊器件，并在 30 秒左右就实现了细胞外囊泡的高效富集。该技术可对各种纳米颗粒比如病毒、LNP 等进行更快、更简单、更温和的富集浓缩，能大大节省外泌体样本制备、外泌体表型和功能分析的时间和成本，具有巨大的科研和商业化潜力。
▲图 | 相关论文（来源：Small）
由于压电晶体的高度各向异性，通过将薄膜柔性印刷电路板紧密键合在压电基底上并偏移对准样本池，可在基底表面形成“双波模态”的表面波。这使得样本池中的样本在垂直方向上下震荡，并在水平方向形成强力单向环形声流, 最终使得纳米级微粒在数秒内发生聚集效应，并在 30 秒左右的时间内完成样本里全部纳米颗粒的富集。
▲图 | 声镊超速细胞外囊泡富集仪工作原理示意图（来源：Small）
据本论文通讯作者，英国卡迪夫大医学超声与传感器实验室主任杨欣教授介绍，传统的离心机是目前富集各种生物颗粒的主要工具之一。然而，它存在时间长、劳动密集等缺点，且不适合流水线操作。
相比之下，基于“双波模态”声镊技术对起始样本量要求较小，只需几十微升，且富集速度非常快，例如细胞用时仅为几秒，外泌体和病毒用时约为几十秒。此外，与超速离心机相比，该技术的设备占地面积远小，并且在外泌体富集过程中能够有效保护其结构，具备明显的优势。
▲图 | ACEV 对不同浓度 EVs 进行富集（来源：Small）
研究过程中针对四种不同外泌体浓度进行了有针对性的富集。结果显示，在极低浓度（0.02µg/ml）下，“双波模态”声镊技术都能在 30s 左右有效富集外泌体。这一通量约为现有技术的 10 倍左右。在冷冰电镜下观察外泌体形态时，发现“双波模态”声镊技术的富集最大程度地保持了外泌体脂质双层结构。
“这种“双波模态”声镊技术对传统超离是一种革命性的创新，具有低成本、易操作、高效率的巨大优势，未来有望成为超离的替代性技术。”杨欣说道。
▲图 | 基于 ACEV 富集后 EVs 完整性及生物特异性检测（来源：Small）
杨欣教授团队 PCB 声镊技术的另一项成果就是通过声表面波改变血脑屏障（BBB）的通透性。可实现在不改变 BBB 的结构情况下精准的调控 BBB 的打开、关闭，这将有望实现中枢神经系统可控的药物递送。
随着神经退行性疾病（如阿尔兹海默症和帕金森综合症等）和中枢神经系统感染性疾病受到越来越多关注，如何高效安全地实现中枢神经系统的药物递送仍然是一个巨大挑战。传统的中枢神经系统药物递送方法，包括基于生物或物理的递送方法，存在一些局限性。因此，开发新型的中枢神经系统药物递送方案变得迫在眉睫。
该研究旨在开发一种安全高效可控开关 BBB 的方法，从而精准地实现中枢神经系统药物递送。
（来源：BioMed Central）
声表面波是一种沿着介质表面传播的声波，由于能量集中和易于操控等特性，声表面波具有更广阔的应用前景。近年来声表面波广泛用于生物医学领域，包括细胞筛选、细胞特性研究和细胞分化等方面。
为了探究基于声表面波的 BBB 开关机制，该研究基于 BBB 模型的 transwell 小室，开发了一种柔性 PCB 声镊刺激器（PCB-AFB）。在 PCB-AFB 中，人脑微血管内皮细胞可种植于其中，从而构建体外 BBB 模型。PCB-AFB 中的声学装置能够产生声表面波，作用于人脑微血管内皮细胞。通过欧姆计测定 BBB 模型的跨内皮电阻，并检测 BBB 模型对各种分子量物质的细胞旁渗透性，以分析 BBB 的功能。
（来源：上述论文）
通过仿真分析发现，PCB-AFB 作用于 BBB 的主要力学形式包括声辐射和声流体。此外，这种作用强度随着声表面波的功率增加而增加。声表面波增加 BBB 的通透性与其作用时间和作用功率有关，在一定程度上呈现出作用时间和作用功率的依赖性。同时，声表面波的作用需要达到一定强度，才能改变 BBB 的完整性。
（来源：上述论文）
进一步分析发现，声表面波的刺激几乎不影响人脑微血管内皮细胞的细胞活性，也不改变紧密连接蛋白的表达。然而，它促进了小分子物质（NaF，376 dalton）和大分子物质（FITC-Dextran-10 kD，FITC-Dextran-70 kD）对 BBB 的渗透。实际上，声表面波作用于人脑微血管内皮细胞，改变了邻近细胞间紧密连接蛋白的分布，扩张了内皮细胞的细胞间隙，从而增加了 BBB 的通透性。这一结果表明，声镊刺激器能够可逆地打开 BBB，实现中枢神经系统药物的精确递送。
（来源：上述论文）
公开信息显示，此研究项目的负责人是英国卡迪夫大学医学工程系的博士生导师杨欣教授。他在细胞异质性的超声识别、亚细胞结构精确识别与分离等领域具有影响力。目前，杨欣教授团队已在国内推动了与声镊技术相关的创业项目，并积极推进相关技术在药物研发、精准诊断等领域的应用。
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