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微流控和药物发现途径

微流控和药物发现途径

从抗生素到抗组胺药,每一个读者都在某种程度上受益于现代药物。但药物开发的成本是难以接受的。你知道,平均而言,它需要大约12年,超过10亿英镑开发每一个新的药

Representation of the drug discovery & development pipeline

Representation of the drug discovery & development pipeline. Credit: Isobel Steer

潜在药物有两种方式可以脱离药物开发流程。它可能无法在人体中发挥作用(无效率),或者可能导致不可接受的副作用(毒性)。科学家们想在流水线早期找出哪些药物效率低下或有毒。这可能是在一个装满细胞的培养皿中,或者是一瓶液体,潜在的药物(也称为“lead”)与其生物学“目标”混合在一起。这种试管阶段被称为体外(测试在活体动物体内称为)。体外是微流控进入的第一步。

什么是微流控芯片

微流控芯片('微芯片')是包含通道系统的微小平台,旨在处理小于1微升的液体体积。根据设计,它们可以过滤,浓缩,混合,加热,分离和检测。制造微芯片的方法有很多,但通常需要实验室级的设备和设备。在大学里,许多微芯片都是由聚合物PDMS制成的,但这很难大规模生产。另一种选择是由着名化学家George Whitesides开创的纸片微芯片。另一个尚在探索3D打印微芯片。

微芯片的优势

最初,微芯片的设计是为了通过使用较小的反应体积来提高效率并减少浪费。此外,它们的低成本和易于自动化使其在商业上具有吸引力。然而,人们很快意识到小型化可以扩大现有生物测定的能力,以及化学合成技术。缩小尺寸将显着改变表面体积比和分子扩散。结果是:你可以做更多的反应,速度更快。这种高通量技术是医学发现的里程碑之一。

用于药物合成的微芯片

据估计,潜在的药用分子的数量约为1063-a.k.a.one vigintill。使用宏观方法合成和筛选候选分子是耗时且昂贵的。微流体可以提供显着的改进。例如,研究人员使用微反应器在20分钟内合成出高产率的二肽,这是前一个24小时,50%产量宏观反应器的巨大改进。

用于体外筛查药物的微芯片

微芯片不仅可用于合成潜在的药物分子,还要测试这些化学分子如何与生物靶标结合。例如,国外某研究所开发了一个高通量的微流体平台来测试转录因子与DNA的结合,成功预测了体内功能。在另一个有趣的例子中,草药(一个价值数十亿美元的市场)在电极微芯片上作为抗抑郁药进行了测试。

 

今年早些时候开发出了合成和筛选的创新组合,它们合成了金属配合物,然后测试了它们如何与称为端粒的折叠DNA结构结合。整个过程在单个微流体平台上进行。

用于检测细胞药物的微芯片

在活细胞上测试化合物是药物开发流程中的关键步骤,但这需要尽可能接近生命体的生理条件。利用微流控技术,您可以操纵细胞或细胞大小的体积;你可以同时查看大量的数据。例如,PDMS微芯片已用于研究穿过细菌膜的抗生素。

微芯片也被开发用于向神经元细胞施用重复的微量缓激肽(一种炎症介质)。这模仿了生物突触 - 在芯片上。事实上,越来越多的研究使用微流控平台来监测药物对细胞的长期影响,有效地构建人造血管,神经和肌肉。未来,这些设备有可能取代动物实验。这种工作模糊了科学术语“体外”和“体内”之间的界限。

未来

在药物输送途径的早期阶段,如化学合成,分子筛选和活细胞中药物的临床前检测,微流控平台显然对现有技术提供了不小的改进。然而,问任何微流控研究人员,他们会告诉你,首先必须克服各种限制。这些包括标准化微流体通道的材料和几何形状,以及研究长期的微芯片性能。为了帮助下一代工业医学研究人员缩短和精简药物开发流程,大规模生产微芯片也需要开展。