探析微流控芯片在醫(yī)療診斷上的應用

近年來，人們對經濟發(fā)展和醫(yī)療健康的日益需求推動了微流控芯片技術，高通量技術，CTC循環(huán)腫瘤細胞，納米醫(yī)學，3D打印技術，單分子免疫陣列技術(SiMoA)，CAR-T技術，基因療法，AI技術等不斷創(chuàng)新和更迭，各種最新技術成果與應用案例層出不窮。

其中微流控技術自20世紀50年代首次提出以來，經過40年時間才出現(xiàn)第一款微流控產品，其間經歷了基礎理論奠定、單元操作技術發(fā)展、小規(guī)模集成和“微型+集成+自動化”等發(fā)展階段，直至21世紀初才成功在診斷領域實現(xiàn)商業(yè)化。2003年《福布斯》雜志把這項技術評為“影響人類未來15件最重要發(fā)明之一”。

微流控芯片，又稱為芯片實驗室（Lab on a Chip），主要依托于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加工工藝，在幾平方厘米或更小的芯片上構建的微型化、集成化、自動化的化學、生物學實驗平臺圖，具有在微米尺度級別實現(xiàn)微量流體操控的能力。通過微流控芯片，實驗人員可以在芯片上完成采樣、預處理、反應、分離和檢測等功能，并借助連接設備自動完成分析，而且微流控芯片具有高通量檢測、系統(tǒng)集成化、微型化、自動化和便攜式等顯著優(yōu)勢，在醫(yī)療檢測、體外診斷、藥物篩選、基因檢測、生化分析、司法鑒定、衛(wèi)生檢疫、環(huán)境監(jiān)測的檢測方面具有廣闊的應用前景。

微流控芯片

微流控芯片工作原理（圖片來源：Duke University）

微流控技術在醫(yī)療診斷的應用主要包括以下幾個方面：

1、醫(yī)療即時檢測POCT（Point-of-care Testing）

微流控芯片所具有的的多種單元技術在微小可控平臺上靈活組合和規(guī)模集成的特點已使其成為現(xiàn)代POCT技術的首選，發(fā)展至今，已涌現(xiàn)出一批微流控芯片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。

POCT應用領域

2、體外診斷IVD（In Vitro Diagnosis）

在體外診斷領域，微流控芯片技術顯示了強大的核酸研究及蛋白質分析功能。微流控芯片可將核酸提取、聚合酶鏈反應（PCR）擴增、分子雜交、電泳分離和檢測單一或集成地轉移到微流控芯片上完成，而隨著微流控芯片技術的快速發(fā)展，其作為蛋白質研究平臺的優(yōu)越性日益明顯。有關蛋白質分析的各種單元技術，包括樣品預處理、分離和檢測等都已經在微流控芯片上實現(xiàn)。

高效率：與傳統(tǒng)的PCR擴增相比，微流控芯片樣品體積只需幾微升，加熱器直接集成在芯片上，在相同擴增效率下，芯片的熱循環(huán)效率快2-10倍。同時連續(xù)流動式PCR、熱對流驅動PCR等技術的使用，使得擴增過程加快，現(xiàn)有的微流控芯片能夠將診斷檢測過程縮短至最低10-15分鐘。

低損耗：利用微流控分析芯片系統(tǒng)對蛋白質樣品進行分析，其分析步驟均可以在幾平方厘米的分析芯片上進行，能夠有效地減少分析過程中人為因素造成的干擾。另外，微流控芯片檢測技術所需要的試劑及反應物的量均較少，對于一些微量蛋白質的檢測，減少實驗中貴重試劑的消耗。

高通量檢測：微流控芯片中具有很多微管道，可對不同的反應室進行隔離。微流控芯片中不同反應互不干擾，從而具有多重檢測的功能，可同時檢測多個樣本，或同一樣本的不同指標。由此，通過在微流控芯片中設置多個反應室，最多可同時進行數(shù)十個檢測，實現(xiàn)高通量檢測。

體外診斷產品

3、細胞學應用

細胞學的研究在探索生物學進程方面有很大的實用價值。由于微流控分析芯片中微通道尺寸非常微小，相對于細胞的微小尺寸，微流控芯片則更加適用于操控單細胞。快速的細胞分析在生物學、醫(yī)學和藥物篩選中均具有重要的意義。

清華大學林金明教授，在報告中將總結藥物研究中微流體裝置和技術的最新進展和發(fā)展，討論微流體系統(tǒng)在藥物發(fā)現(xiàn)過程中的應用，并將分別介紹二維（2D）細胞培養(yǎng)、三維（3D）細胞培養(yǎng)、器官芯片和全生物芯片等新興領域的發(fā)展現(xiàn)狀，隨后討論這些技術在藥物開發(fā)過程的應用以及我們組開發(fā)的芯片-質譜平臺用于藥物發(fā)現(xiàn)的進程及優(yōu)勢。

目前，中國微流控產業(yè)供應鏈的成熟度，與十年前的歐洲和美國很相似：只有極少數(shù)企業(yè)擁有從設計和原型開發(fā)，到大規(guī)模制造和后端處理的完整供應能力，而且僅有少數(shù)項目能夠最終實現(xiàn)規(guī)模量產。不過，中國的發(fā)展顯然要更快，總體看來，微流控技術的發(fā)展前途是光明的，道路是曲折的。我們堅信微流控技術是醫(yī)療診斷和生命科學應用的重要工具，該技術勢必會對醫(yī)療健康的提升起到巨大的推動作用。