微流控成像細胞分析技術(shù)MIC進展與突破

微流控成像細胞分析技術(shù)（Microchip Imaging Cytometry，MIC）是集合了微流控芯片、流式細胞術(shù)，以及熒光顯微鏡技術(shù)特點的新興檢測平臺技術(shù)，微流控成像分析儀器具有輕便性、經(jīng)濟性、靈活性等特點。

由于微流控芯片需要更小的樣本體積、更少的試劑消耗，以及更高的集成化和自動化等特點，微流控成像細胞分析系統(tǒng)將推動更加經(jīng)濟、易用、普惠的醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，有望改善和提升偏遠地區(qū)、基層地區(qū)的醫(yī)療服務(wù)水平。

近期，多倫多大學(xué)J Stewart Aitchion教授團隊在Opto-Electronic Advances期刊發(fā)表了針對微流控成像細胞分析這一研究領(lǐng)域的重要綜述。

該綜述文章對MIC的臨床應(yīng)用、微流控芯片技術(shù)、成像光學(xué)、圖像采集等內(nèi)容進行了回顧，并針對這一領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展機遇和重要趨勢提供了前瞻性評論。

醫(yī)學(xué)檢驗的重要需求

由于許多國家的老齡化、醫(yī)療資源分布不均等問題，對更加經(jīng)濟、易用、普惠的醫(yī)學(xué)檢驗儀器的需求日益增長。在過去的兩年多中，全世界都經(jīng)歷了新冠疫情的考驗。

普通民眾需要通過核酸檢測和抗原檢測確認自己是否被感染，醫(yī)療工作者需要更經(jīng)濟、易用、普及的醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)來指導(dǎo)臨床實踐，公共衛(wèi)生部門也需要強有力的工具進行流行病學(xué)監(jiān)測，幫助他們制定公共衛(wèi)生政策。

在臨床檢驗實驗室中，大部分的診斷測試需要經(jīng)過醫(yī)生開出檢測單、集中采血、集中樣本處理、集中發(fā)出報告的流程，周轉(zhuǎn)時間短則數(shù)個小時，長達數(shù)天。

對于很多需要做出快速決策的疾病的診斷和檢測，這種傳統(tǒng)的測試技術(shù)和流程并不能充分滿足臨床要求。另一方面，現(xiàn)在也有很多快速檢測試紙條技術(shù)。這種技術(shù)可以快速給出測試結(jié)果，但是受制于定性測試和較低靈敏度的影響，其在很多疾病的診斷檢測中并不能為醫(yī)生和患者提供充足有效的信息。

因而，開發(fā)定量、易用、普惠的便攜檢測儀器和裝置引起了學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的重視。近十余年來，科學(xué)家和工程師也在借助多種多樣的科學(xué)技術(shù)手段為這樣的需求提供創(chuàng)造性的解決方案。這其中，微流控芯片技術(shù)成為了一種被寄予厚望的重要技術(shù)。基于微流控技術(shù)的微芯片成像細胞分析技術(shù)將可能為醫(yī)學(xué)檢驗帶來革新性的變化。

微流控成像細胞分析技術(shù)（MIC）

微流控成像細胞分析技術(shù)（MIC）是一種可以對細胞、蛋白、核酸等人體生化物質(zhì)進行快速檢測分析的平臺技術(shù)。在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)學(xué)檢驗實驗室中，流式細胞儀是被廣泛使用的。然而，流式細胞儀的一些固有特點限制了其廣泛的應(yīng)用：流式細胞儀價格昂貴，儀器的維護保養(yǎng)成本較高，儀器操作和數(shù)據(jù)分析需要經(jīng)過長時間培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)人員。

相比較傳統(tǒng)的流式細胞儀，MIC通過一個比較寬而淺的微流控芯片通道對細胞和微粒等對象進行分析。得益于近些年半導(dǎo)體傳感器件和信息技術(shù)的突破式發(fā)展，MIC的光源、成像檢測組件也可以收獲更高的光電性能。通過將樣本處理、信號檢測、數(shù)據(jù)分析集成在一套便攜易用的即時檢測（POCT）系統(tǒng)中，MIC可以提供快速的樣本進-結(jié)果出（Sample-in，Answer-out）解決方案。

傳統(tǒng)流式細胞儀（A）與微流控成像細胞分析（B）的對比

當(dāng)前進展與突破

MIC技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢驗中的巨大潛力吸引了學(xué)術(shù)界和醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的關(guān)注，這篇綜述論文對該領(lǐng)域近5-10年的進展進行了回顧。Aitchison課題組報道了針對艾滋病人CD4檢測、登革熱診斷、敗血癥監(jiān)測等臨床應(yīng)用的MIC技術(shù)?；贛IC技術(shù)的CD4檢測系統(tǒng)在采集患者的指尖血后，15分鐘內(nèi)可以給出患者的CD4計數(shù)結(jié)果。通過MIC技術(shù)對微球免疫測試的樣本進行檢測，可以實現(xiàn)對超過多個免疫指標(biāo)的高靈敏度測試。

Ozcan課題組報道了使用智能手機對HIV感染者的CD4/CD8進行快速檢測，也報道了通過無透鏡全息成像技術(shù)實現(xiàn)了對更大視野下樣本分析的重要成果。通過智能手機成像和深度學(xué)習(xí)算法的結(jié)合，De Haan等報道了對鐮刀型細胞貧血病的快速準(zhǔn)確的診斷。

應(yīng)用于（a）免疫分析、（b）精液分析和（c）鐮刀型細胞貧血病篩查的MIC設(shè)備的示意圖和照片 根據(jù)微芯片對樣本處理分析的自動化程度不同，MIC的微芯片部分主要基于以下三種設(shè)計理念：芯片靜止+流體靜止、芯片靜止+液體流動、芯片移動+液體靜止。MIC的光學(xué)成像部分可能涉及到明場成像、熒光成像、無鏡成像等光學(xué)架構(gòu)。在圖像采集層面，時間延遲積分、時間調(diào)制激發(fā)等技術(shù)的開發(fā)也為更高靈敏度的細胞分析提供了潛在的解決方案。

趨勢與展望

在過去的一二十年中，諸如Luminex Magpix和Amnis FlowSight這樣的MIC檢測儀器已經(jīng)被用于科學(xué)研究和部分臨床檢驗，預(yù)期也將有更多新技術(shù)和新產(chǎn)品的落地，惠及更多的基層醫(yī)療中心和醫(yī)學(xué)檢驗實驗室。光子學(xué)、集成光學(xué)和成像技術(shù)的最新進展有望提高此類檢測系統(tǒng)的靈敏度，開發(fā)更多檢測項目，同時降低儀器的尺寸和成本。多層光學(xué)傳感器、多晶硅柵極、單光子雪崩二極管等傳感器的開發(fā)有望顯著提升檢測光電檢測的靈敏度。

綜合來講，MIC技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化需要在復(fù)雜性、性能和成本之間找到微妙的平衡，以滿足特定場景下的分析檢測需求。面對日益增長的醫(yī)療保健和公共衛(wèi)生管理方面的需求和挑戰(zhàn)，更多微流控成像細胞分析的技術(shù)和臨床應(yīng)用將會被開發(fā)出來，以推動醫(yī)療診斷服務(wù)的經(jīng)濟性、易用性、普惠性。

審核編輯：劉清