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微流控技术在癌细胞标记中的应用

作者:岳婕,刘丽炜

要:针对癌症的早期诊断是其治疗的一大突破口,大量研究结果表明,早期诊断能大幅提高癌症的治愈率。由于早期肿瘤体积较小和发病位置较隐蔽,导致常规检测难度上升。近年来,随着微流控技术的发展,其在生物标记领域有着越来越重要的作用。文章主要对现阶段几种癌症早期诊断的标记技术进行阐述,通过对比重点介绍了微流控技术在癌细胞标记中的应用。

关键词:早期诊断;微流控技术;癌细胞标记

微流控技术在癌细胞标记中的应用 

引言

全球癌症报告预测全球癌症病例将呈现迅猛增长态势,同时指出中国已进入癌症高发国家行列,癌症已成为威胁人类生命的主要病因之一。大量临床的众多数据证实,癌症发病的初期阶段其治愈率最高。从而针对癌症的早期诊断方法研究已成为各国科研工作者重要的关注点之一。

1 癌细胞早期诊断方式

就早期诊断方式而言,其主要包括:分子诊断法、红外光谱法、纳米技术诊断法,以及微流控技术诊断方式。

1.1 分子诊断

分子诊断方法是指通过将分子检测方式应用于生物学领域,采用对患者体内的亲子代间遗传信息物质结构来进行诊断的生物技术,采用该方式可以有效针对癌症的早期检测、分类及治疗方案制定提供相应参考信息。分子诊断癌症的关键是检测肿瘤分子标志物,可分为DNA、RNA和蛋白质等几类。主要表现在与正常细胞相比,原癌基因突变、表达量突增或抑制,以及基因甲基化等方面。现阶段,分子诊断技术主要基于基因芯片领域发展,成本高、相对开发难度大等问题都成为该技术产业化的重要制约因素。

1.2 红外光谱法

红外光谱技术是一项可实现无损检测的技术,通过对比正常组织细胞的光谱图,来确定病变的部分。不但普遍地用于生物大分子的研究,如蛋白质和核酸等,而且可以用于研究更复杂的结构。从分子水平探讨的致癌机理是由于癌变和正常细胞的光谱图明显的差异。该方法在分子水平上,针对细胞及组织检测还需要进一步的自动化。

1.3 纳米技术诊断法

纳米材料由于其特殊优势在癌症的诊断和治疗等方面已取得较大研究进展,其主要作用机理为采用一个早期检测、靶向标记体内恶性细胞位置、投递抗癌药物,最终确定这些药物高效性的治疗系统。纳米药物具有颗粒小、比表面积大等特性。将纳米材料应用到癌症的诊断时,需要解决该技术的生物相容性以及药物的靶向性较低的问题。

2 微流控技术的癌细胞标记应用

目前对癌症的检查主要是基于单个标志物的检测,然而多基因的作用结果导致了肿瘤的发生。随着基因组学和蛋白质组学的发展,基于多个分子标志物的诊断分类模型无疑将成为未来癌症诊断的热门途径。近年来发展的微流控技术,将其结合半导体量子点纳米技术用于癌细胞早期诊断具有灵敏度高、试剂消耗少、并行检测等特点。

2.1 微流控细胞培养

细胞水平的分析是生物学研究者不可或缺的一部分,与分子水平相比,它要求更少的时间以及劳力,且可以提供更可靠的结果分析。是细胞操控和分析的有利技术平台开展,微流控芯片细胞培养是在片上进行药物输送、荧光标记等基础。微流控细胞培养主要是进行3D培养,3D培养方法可以更好地模拟复杂的细胞间基质的相互作用,使得部分功能与人体原始组织体内微环境非常相像,更有利于相关的研究。

2.2 微流控-量子点生物标记

荧光分析法是生命科学领域十分重要的高灵敏度的检测方法,能够有效检测生物体内的核酸、多肽等生物分子,提高材料的发光强度以及稳定性,能够有效提高其检测的灵敏度。而量子点具有优良的光谱特性和稳定性,被普遍运用到生命科学研究的各个领域。有机染料在进行多色分析時,会产生多种信号的交叠现象。而量子点标记法可有效改善此类现象。

Zhang等开发了一种多核壳结构,具有强荧光的量子点,结合微流控技术,进行片上荧光特异性识别以及快速磁响应来分选肿瘤靶细胞的功能。外层聚多巴胺既有效缓解了量子点的荧光猝灭,又为核酸提供多功能识别窗口,也降低了非特异性吸附。利用磁特性和特异性识别,改性纳米探针用于标记HL-60细胞,并将其从均匀的K562细胞和HL-60细胞混合液中分离出来。结合微流控芯片的高通量,10分钟达到了98%的分离效率,与传统的分离方法相比,有非常明显的改善。这项研究提出了一个发展强荧光和磁性纳米探针的可控性高度集成的创新微流控平台,开辟一个用于生物标记和细胞分离的非常有前途的探针。

3 结束语

利用微流控芯片可以实现细胞的培养与观察,通过此方式对人体微环境进行模拟。采用量子点标记结合微流控通道的方式,可以有效实现人体环境中癌细胞生长及标记模拟,因此对人体早期癌细胞标记诊断带来很大的研究价值。随着微流控技术的发展,其在生物标记检测领域将扮演着更为重要的角色。

参考文献

[1] Martin H C, Kim G E, Pagnamenta A T, et al. Clinical whole-genome sequencing in severe early-onset epilepsy reveals new genes and improves molecular diagnosis[J]. Human Molecular Genetics, 2014,23(12):3200-11.

[2] Redin C, Gérard B, Lauer J, et al. Original article: Efficient strategy for the molecular diagnosis of intellectual disability using targeted high-throughput sequencing [J]. Journal of Medical Genetics, 2014, 51(11):724-36.

*通讯作者:刘丽炜。

本文转自:科技创新与应用

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