简述微流控芯片在医疗诊断上的应用-汶颢股份
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简述微流控芯片在医疗诊断上的应用

近年来,人们对经济发展和医疗健康的日益需求推动了微流控芯片技术,高通量技术,CTC循环肿瘤细胞,纳米医学,3D打印技术,单分子免疫阵列技术(SiMoA),CAR-T技术,基因疗法,AI技术等不断创新和更迭,各种最新技术成果与应用案例层出不穷。

其中微流控技术自20世纪50年代首次提出以来,经过 40 年时间才出现第一款微流控产品,其间经历了基础理论奠定、单元操作技术发展、小规模集成和“微型+集成+自动化”等发展阶段,直至21 世纪初才成功在诊断领域实现商业化。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”。

微流控芯片,又称为芯片实验室Lab on a Chip),主要依托于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)加工工艺,在几平方厘米或更小的芯片上构建的微型化、集成化、自动化的化学、生物学实验平台图,具有在微米尺度级别实现微量流体操控的能力。通过微流控芯片,实验人员可以在芯片上完成采样、预处理、反应、分离和检测等功能,并借助连接设备自动完成分析,而且微流控芯片具有高通量检测、系统集成化、微型化、自动化和便携式等显著优势,在医疗检测、体外诊断、药物筛选、基因检测、生化分析、司法鉴定、卫生检疫、环境监测的检测方面具有广阔的应用前景。

微流控芯片

微流控芯片工作原理(图片来源:Duke University) 

1、医疗即时检测POCT(Point-of-care Testing)

微流控芯片所具有的的多种单元技术在微小可控平台上灵活组合和规模集成的特点已使其成为现代POCT技术的首选,发展至今,已涌现出一批微流控芯片POCT分子诊断和免疫诊断的成功案例。

POCT应用领域(图片来源:搜狐科技)

Theranos采血,通过血液检测仪器“爱迪生”对血样即时检测(图片来源:Theranos网站)

Theranos采血,通过血液检测仪器“爱迪生”对血样即时检测(图片来源:Theranos网站) 

2、体外诊断IVD(In Vitro Diagnosis)

在体外诊断领域,微流控芯片技术显示了强大的核酸研究及蛋白质分析功能。微流控芯片可将核酸提取、聚合酶链反应(PCR)扩增、分子杂交、电泳分离和检测单一或集成地转移到微流控芯片上完成,而随着微流控芯片技术的快速发展,其作为蛋白质研究平台的优越性日益明显。有关蛋白质分析的各种单元技术,包括样品预处理、分离和检测等都已经在微流控芯片上实现。

高效率:与传统的PCR扩增相比,微流控芯片样品体积只需几微升,加热器直接集成在芯片上,在相同扩增效率下,芯片的热循环效率快2-10 倍。同时连续流动式 PCR、热对流驱动 PCR 等技术的使用,使得扩增过程加快,现有的微流控芯片能够将诊断检测过程缩短至最低10-15分钟。

低损耗:利用微流控分析芯片系统对蛋白质样品进行分析,其分析步骤均可以在几平方厘米的分析芯片上进行,能够有效地减少分析过程中人为因素造成的干扰。另外,微流控芯片检测技术所需要的试剂及反应物的量均较少,对于一些微量蛋白质的检测,减少实验中贵重试剂的消耗。

高通量检测:微流控芯片中具有很多微管道,可对不同的反应室进行隔离。微流控芯片中不同反应互不干扰,从而具有多重检测的功能,可同时检测多个样本,或同一样本的不同指标。由此,通过在微流控芯片中设置多个反应室,最多可同时进行数十个检测,实现高通量检测。

3、细胞学应用

细胞学的研究在探索生物学进程方面有很大的实用价值。由于微流控分析芯片中微通道尺寸非常微小,相对于细胞的微小尺寸,微流控芯片则更加适用于操控单细胞。快速的细胞分析在生物学、医学和药物筛选中均具有重要的意义。

清华大学林金明教授,在报告中将总结药物研究中微流体装置和技术的最新进展和发展,讨论微流体系统在药物发现过程中的应用,并将分别介绍二维(2D)细胞培养、三维(3D)细胞培养、器官芯片和全生物芯片等新兴领域的发展现状,随后讨论这些技术在药物开发过程的应用以及我们组开发的芯片-质谱平台用于药物发现的进程及优势。

目前,中国微流控产业供应链的成熟度,与十年前的欧洲和美国很相似:只有极少数企业拥有从设计和原型开发,到大规模制造和后端处理的完整供应能力,而且仅有少数项目能够最终实现规模量产。不过,中国的发展显然要更快,总体看来,微流控技术的发展前途是光明的,道路是曲折的。我们坚信微流控技术是医疗诊断和生命科学应用的重要工具,该技术势必会对医疗健康的提升起到巨大的推动作用。

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