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微流控技术:体外诊断医疗器械的小型化之路

微流控技术:体外诊断医疗器械的小型化之路

1.体外诊断及其小型化

体外诊断(In vitro diagnosis, IVD),顾名思义,主要是指对人体的血液、体液、组织等进行检测而获得临床信息的产品或服务。在我国,由于:1.人口老龄化日渐严重;2.传染病慢性病日渐流行;3.城市化进程中对医疗健康行业需求的剧增;4.政府对医疗保健市场的大力支持;5.医院药品加成的取消,导致医院日渐重视临床检验等因素,体外诊断行业开始迅速崛起。相关行业数据显示,近几年来我国体外诊断市场规模的年增长率一直维持在20%以上。

随着技术的发展,也为了面向不同的诊断需求,体外诊断正逐渐向两级发展:机械手臂式的自动化、流水线作业的中心实验室和操作简单、快速、便携的即时诊断(point-of-care testing, POCT)。

对于大型医院的检验科室或者第三方检验中心,由于样品量大,自动化流水线作业式的中心实验室往往更能满足他们对于单位时间能检测更多样品、单个样品检测成本低的需求。而即时检验,国际上一般称为POCT,是在采样现场即时对样本进行分析,省去标本在转移到检验实验室所需要的时间,快速得到检验结果的一类新方法。

这种检测通常不一定需要专业的人员比如临床检验师来进行。相对于传统的实验室检测机制,POCT主要通过精简操作流程、集成检测装置、压缩检测成本,实现部分由非专业人员完成、受众和适应性更强的便携式的就地检测。因其快速、简单的优势,POCT对院内急诊科、重症监护室(ICU)等临床科室具有重要意义;因其综合成本、便携、易用的优势,POCT对于完善农村边远地区医疗建设、加速检验检疫流程、应对突发疾病灾害、推动个性化医疗和疾病筛查等同样具有重要意义。POCT现已广泛应用于临床治疗和监护。

2.即时诊断(POCT)设备中存在的问题

我们最常见的POCT设备就是像早孕试纸之类的免疫层析试纸。免疫层析反应,实际上就是液体样品在试纸上沿着试纸由一端向另一端定向扩散,在液体样本定向扩散过程中会与试纸上预载的试剂发生生化发应,最后在试纸上给出肉眼可见的结果的一个过程。因其简单、方便、快速的特点一直使用至今。

但是呢,这种试纸很难做到结构均匀一致,材料、薄厚、疏密程度也很难完全相同,这会使样本检测结果在不同测试卡上的一致性较差。另外,被测样本测试时流动的速度、样本量、反应时间等不可控,会进一步加大了样本检测结果的偏差。除此之外,免疫层析试纸受自身方法学的局限,一般只能达到定性诊断,不能满足医生定量的需求。

最后,对于免疫层析而言,最大的问题还是在于依靠液体在纸上的单向扩散,液体可操控的空间也受到了很大限制。所以,很多临床上非常好的检测诊断技术,由于操作相对复杂一些,没法用免疫层析来实现。

3.微流控技术

微流控(Microfluidics)技术是一种依托现代微加工工艺,在微米尺寸级别(一般一到几百微米)下的处理或操纵微量流体的技术手段。这种技术可实现采样、稀释、加试剂、分离、检测等实验流程以及各种生化反应在几平方厘米或更小的芯片上的集成,从而减少样品试剂消耗、提高检测灵敏度、缩短反应时间、降低平均成本。其核心是高度集成、微型化的微流控芯片,所以微流控也常被称为芯片实验室(Lab on a Chip)。

微流控技术可满足从生物小分子到细胞的不同尺度对象检测需求,并可通过在后端耦合光、电、热等形式的检测器和读数装置,实现检测流程的自动化和检测结果的信息化。2003年《福布斯》杂志把这项技术评为“影响人类未来15件最重要发明之一”。

基于微流控技术的诊断仪器的微型化、集成化、自动化的特性,高度切合POCT的发展需求,对优化临床检测具有重要意义。近年来已日趋成为POCT领域的研究热点和核心技术。

4.微流控技术在POCT中的应用

体外诊断主要由三大分支领域构成:生化分析,免疫诊断和分子诊断。

在自动化技术相对成熟的生化分析和免疫诊断领域,由于微流控芯片的高度集成化,微流控仪器往往具有操作简便,仪器价格相对便宜,小而轻,能迅速出结果等优势。但是由于传统机械手式检测仪器技术更加成熟,单位时间内可以检测更多的样本,所以基于微流控技术的产品也面临着传统仪器的强大的竞争压力。但是随着分级诊断的普及,对于基层社区医院而言,低成本易于操作且能快速出结果的微流控产品的优势也逐渐凸显了出来。

对于生化分析而言,除了常规的诊断,微流控技术也能把它带入到了更广阔的应用领域。我们知道,现在可穿戴或者其他家用医疗监测设备也只是初步做到了监测心跳,行走步数,血压等等指标的监测。

如果在此基础上利用微流控技术做到操作简单,便携式,低成本的家用尿液、血液等相关成分监测仪器,收集得到的数据再与大数据结合,将会更好实现人体健康管理,从而降低慢性病的管理成本。另外,基于微流控技术的对汗液成分实时监测的可穿戴式设备的出现也为当前的相对萎靡的可穿戴设备市场注入一股新鲜血液。

在病原体感染性疾病诊断中,分子诊断能大幅度缩短诊断“窗口期”,准确的给出定量结果,所以往往是一个“金标准”。举一个例子,我们现在要诊断某位病人是否感染了乙肝病毒。如果我们采用的是免疫诊断,我们要等到这个病人自身的免疫系统识别出了乙肝病毒并且产生足够量的乙肝抗原或者抗体,这样我们才能通过能否从血液里面是否含有乙肝抗原或者抗体来判断这个病人知否感染了乙肝病毒。而对于分子诊断技术,则直接的多。

在患者感染初期,我们就可以通过检测这个病人的血液内是否含有乙肝病毒所特有的某个靶基因来判断病人血液内是否有乙肝病毒,从而鉴定该病人是否感染。我们甚至可以通过精确测量乙肝患者血液内靶基因的量来确定患者体内乙肝病毒的载量,这个指标在后续的治疗中尤为关键。

除了在病原体感染性疾病中,分子诊断具有免疫诊断不可比拟的优势以外,其在遗传病,肿瘤的诊断和治疗等等中也扮演着重要的角色。所以,近几年来,分子诊断也成为了体外诊断领域发展最快,也最有潜力的一个分支。

虽然分子诊断技术优势很明显,但是由于其步骤繁琐,过程费时,需要专业人员操作,而且临床分子诊断实验室的搭建成本一般较高,所以分子诊断也价格昂贵。与此同时,由于分子诊断中样本预处理过程复杂,往往还需要精确的温度循环控制,导致了传统的机械手方式一直不能很好的把整个流程自动化。

微流控技术的出现就刚好解决了上述难题。微流控技术把细胞裂解,核酸提取与扩增以及最后的检测都集成在了一个芯片上。反应过程处于封闭的环境中,减少了操作人员的负担及污染的可能性,实现了随时随地快速检测的需求,为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。这里最典型的两款产品就Cepheid的GeneXpert PCR分析仪和BioFire的FilmArray™多重PCR系统。由于这两款产品的成功,这里的Cepheid在2016年9月被Danaher以40亿美元收购;BioFire在2013年9月被BioMerieux宣布以4.5亿美元收购。而近几年来,分子诊断技术已开始全面获益于微流控技术,样品制备水平得到显著提高,这使得微流控技术从此开始强势渗透即时诊断(Point of Care Testing, POCT)领域。

微流控技术把分子诊断自动化,小型化,也POCT化,这也将改变人们目前的医疗方式。以我们人类最常见的疾病—感冒为例,目前一般都是医生凭借自己的临床经验来给药。而filmArray能够利用鼻咽拭子采集的鼻咽分泌液在一个小时左右准确得知引起感冒的细菌或者病毒的类型,并且还能得知相应病原体有无常见的耐药性基因,从而实现准确的用药。基于微流控技术的分子诊断当然不仅仅局限在诸如感冒的上呼吸道的感染性疾病上,在通用的芯片驱动、核酸检测平台基础之上也陆续推出了肠胃道感染、血液感染、性传播疾病感染,以及HPV分型等等微流控芯片。此类产品的出现不仅显著提高了医疗水平,也能有效的避免广谱抗生素滥用进一步导致的细菌耐药性这一全球难题。

5.微流控技术产业化中存在的问题

微流控技术在产业中也并不是一帆风顺,现在的微流控产业化一直面临着产业链不成熟导致产品研发、生产成本过高的问题。

一个成熟的微流控产品,往往需要配套使用的试剂,核心的微流控芯片,芯片驱动平台,光电检测模块,信号处理模块以及人机交互的软件系统等等组件。对于一个成熟的产业链而言,一个复杂的产品的不同组件是由不同公司大规模的生产,然后有某个掌握一个或者几个核心技术的公司组装而成。这里最典型的代表就是智能手机。

资金雄厚如苹果公司,也没法把诸如CPU,内存,屏幕等等所有组件的产业线全部掌握在自己手上。但是在微流控的产业化中,由于这个技术还不太成熟,产品缺乏相应的标准化和规范化,目前还没法实现组件的通用化。这样也就没法形成上下游公司合作式的开发一个产品的模式。而微流控产品本身就是结合微机电加工、生命科学、化学合成、光学工程及电子工程等许多领域学科的新产品,技术要求高,开发周期较长。这也导致了,像诸如GeneXpert PCR分析仪这样的具有突破性进展的产品,由于前期高昂的研发费用,到现在也没能实现真正的盈利。(文章来源:体外诊断网 作者:汤明辉 转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



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