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微流控芯片如何改变生物研究

在传统实验室中,一系列可用的技术使科学家能够对细胞进行遗传工程化研究,确定其机械特性分析遗传差异。通过标准设备和试剂盒通常需要相当大的人力和成本。到目前为止,进行实验意味着使用来自已建立的制药和生物技术公司的昂贵的标准仪器。例如,人们可以开始他们的一天准备10 L培养基在大型恒化器中培养微生物;使用DNA提取试剂盒裂解细胞,进行多轮离心; DNA纯化;使用台式实时聚合酶链式扩增(rt-PCR)机器进行扩增和目标检测。如果一个标准实验室只有载玻片的尺寸能够完成从细胞培养到突变鉴定的步骤,只需一半的时间一半的成本?

微流控生物芯片

微流控技术就是一种这在减少传统实验室检测时间和成本方面显示出巨大的潜力。 简而言之,微流控是控制数十至数百微米范围内的通道中的流体。 由于处理流体的规模较小,所以流动通常是层流(雷诺数<100)并且可以非常精确地控制。 鉴于大多数生物样品含有数千至数百万个要分析的细胞,并且可能难以收集,因此微流体特别适用于生物学工作,因为它只允许少量样品进行高通量处理。

使用微流控技术的芯片实验室(LOC)的想法是研究原理集成到纳米到微米级的单个微型器件中。然而,值得注意的是,微流体的想法并不是最近的。自20世纪50年代以来,微通道中的流体操作一直存在。然而,该领域围绕使用集成电路技术制造的器件集中在硅衬底上,同时利用电渗流来操纵其目标。随着90年代软材料和先进制造技术的出现,微流体在生物学家和工程师中广泛流行。从基于细胞的检测,基因组学,蛋白质组学,转录组学甚至药物发现,微流体已经在生物科学的许多学科中分支出来。微流控技术可以进一步分为两类,采用主动分选被动(无标记)分选方法来控制目标。随着微流体技术的进步,对单个细胞的分析成为可能。

1.单细胞的需求

在许多科学研究中,海量数据通常用作解释结果的表示法。然而,这种技术的主要缺点是种群内可能存在异质性。一个充分研究的例子是转移性癌症患者血液中存在的循环肿瘤细胞(CTC)。 CTC是从原发肿瘤向血流中传播以开始转移过程的肿瘤细胞。虽然大多数循环中的肿瘤细胞无法在敌对的免疫环境和血管中的高剪切下存活,但是一些CTC成功地在远处形成移动并建立转移病灶。尽管可以使用液体活组织检查(一种非侵入性技术)获得全血,但极低数量的CTC(1-10 / mL)意味着从全血中获取平均值可能会得出偏向于野生型读数的结果,例如白血细胞。而且,由于这些细胞的数量很少,遗传信息也可能被掩盖。微流体技术已经实现了CTC的分离和分离。通过这种方式,可以在单个细胞水平上进行基因组分析,这可以揭示关于癌症患者突变状态的关键信息。这将允许临床医生个性化治疗并提高这些患者的生存率。

微流控单细胞分离装置

Figure 1. 微流控单细胞分离装置. Image adapted and reproduced with permission from Yeo et al., Sci. Rep. 6, 22076 (2016). Copyright Nature Publishing Group.

2.便携性

在发展中国家,传染病是人民和经济发展的普遍问题。 由于缺乏设备完善的诊断实验室,这种情况更加恶化。 分子检测如酶联免疫吸附试验,蛋白质印迹和PCR等通常需要熟练的技术人员和几个小时的加工。 因此,一个可能的解决方案是提供便携式即时护理(POC)设备,以提供快速检测 特别是,一种涉及使用纸微流体技术的新兴技术已经显示出以最少的步骤检测HIV等病原体的希望。 纸基微流控技术也已在该领域成功部署,用于检测埃博拉病毒。 制造成本低,功能多样,微流体设备体积小,适用于POC诊断。 特别是,纸微流体消除了实验室和庞大的设备来执行这些测试。

在全球范围内,实验室正在推动工程和生物学的界限。 除了其明显的便携式尺寸外,微流体的其他优势如下:

操纵的灵活性

较低的试剂

经济可承受性

实时监控

流体动力学中还有其他许多物理现象。 除了基于纸张的方法之外,还有以下常用的方法:

液滴微流控

数字微流控

传感器微流体

光流控

随着各国从基础研究向平移研究过渡,跨越不同专业知识的整合与合作是关键。 尽管如此,尽管与微流控相关的出版物数量不断增加,但很少有设备最终被商业化。 一个迫切需要解决的问题是需要通过鼓励有抱负的科学家与行业和临床医生合作,确定市场需求并通过开发商业用途设备来进一步推进短期研究项目。

微流体研究的多样性可以产生更好的想法,竞争可能会推动突破性项目。 与传统的实验室工作台设备相比,微流体中可见的更高通量意味着在更短的时间内获得结果,并具有更高的空间和时间分辨率。 随着微流体技术的进步,我们正在朝着一种微创工具进行癌症评估,并在资源有限的地区检测病原体。 希望在不久的将来,我们将开发一种POC设备,可以从舒适的家中提供快速的健康分析,而无需在医院长时间等待。 微流体技术正在通过将诊断能力从实验台转移到消费者手中来彻底改变实验的方式,并且可能会以前所未有的方式补充科学研究。