微流控芯片技術助力精準醫療發展

來源:智匯工業

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關鍵詞:微流控 芯片 醫療

    隨著精準醫療的不斷發展,分子診斷技術的重要性日益突出。精準醫療包括兩個方面,精準診斷和精準治療。其中,精準診斷是精準醫療的基礎,而分子診斷又是精準診斷的核心。因此,分子診斷是精準醫療的重要組成部分,為精準醫療提供保障,而微流控芯片是其常用技術之一,近年來發展迅速,應用廣泛。

      按照技術原理,可暫將分子診斷技術大致劃分為PCR技術、分子雜交、基因測序、核酸質譜、生物芯片(包括基因芯片、微流控芯片)5大類。今天就為大家分析介紹微流控技術的相關情況。

      微流控技術的主要形式為微流控芯片或者稱芯片實驗室,主要是指以生物化學和分析化學為基礎,以微管道網絡為結構特征,將整個分析實驗室的功能,包括采樣、樣品前處理、反應、分離、檢測等集合在一塊幾平方厘米的芯片上進行分析的技術。

      微流控芯片技術優勢

      生命分析技術不斷發展,在新的時代背景,又面臨新挑戰和發展機遇:要求在特別小的空間,特定的時間,特定的外界條件進行物質定性、定量、結構分析、形貌分析等工作。而微流控技術的出現為生命分析面臨的三大特殊挑戰提供了有力的操控工具。微流控技術具有如下特點:

      · 集成小型化與自動化: 通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設計的搭配組合實現檢測的集成小型化和自動化。

      ·高通量分析:芯片設計多流道、多個反應單元的相互隔離,使各個反應互不干擾。

      ·  檢測試劑消耗少,樣本量需求少:微流控芯片反應單元腔體特別小,試劑使用量遠遠低于常規操作。

      · 污染少:芯片集成功能避免了人工操作的污染。

      微流體芯片技術的應用

      微流控技術問世至今有近30年歷史,但其發展迅猛,被稱為下一代醫療診斷“顛覆性技術”。

      通過利用微流體芯片進行的研究一直都在不斷進行中,近日一項關于乳腺癌細胞轉移相關的研究就用到該技術。來自密西根大學安娜堡分校的研究人員利用新開發的高通量微流體芯片,發現了轉移性乳腺癌細胞的重要特性之一 — 吞噬間充質干細胞 (MSC)。該研究指出癌細胞通過吞噬MSC,增強了自身侵襲性,讓癌癥迅速發展擴散。研究認為阻止乳腺癌細胞系的吞噬行為,有望成為遏制乳腺癌轉移的新方向,而相關的基因和分子也是乳腺癌診斷治療的潛在靶點,這將是為諸多患者帶來新的希望。另外,我們對關于微流體芯片的應用作一個簡單介紹。

      細胞分選

      通過不同的分選原理,微流控芯片可實現對不同細胞的分離。以循環腫瘤細胞(CTCs)為例,該細胞主要來自腫瘤組織自發脫落的外周血液中,其對惡性腫瘤傳播轉移具有重要影響,已逐漸被認為是腫瘤遠處轉移的標志。對外周血中極微量的具有特異性、敏感性的CTCs進行分選、富集及檢測,不僅有利于腫瘤的早期診斷、療效評價及復發轉移監控,還可以為后續的CTCs鑒定和下游單細胞基因組和轉錄組測序提供良好基礎,為腫瘤靶向治療提供新策略,在臨床上個性化醫療等領域有重要意義。

      微流控技術可在微米尺度下整合物理、化學及生物學方法,實現對微量CTCs的高通量、高效率以及低成本分選富集,該技術發展迅速并已被廣泛研究應用。Fluxion Biosciences新開發的微流體平臺IsoFlux使用微流體通道確保將磁性顆粒標記的CTCs充分可靠地暴露于密集且強度均勻的磁場中,以實現高效的細胞富集回收。

      藥物篩選

      藥物篩選是現代藥物開發流程中測試和獲取特定生理活性化合物的一個步驟。微流控芯片技術由于具有樣品消耗量小、速度快、柱效高以及所用溶液體系較接近生物體液組成等特點,已經成為一種非常具有潛力的藥物及先導化合物的高效篩選工具。

      微流控芯片可以集成256個或者細胞培養腔微陣列,改變細胞常規培養方法,實現細胞藥物篩選的高通量化;芯片微納升級體積大大減少了試劑消耗量,減低藥物篩選成本;微流控芯片設計的二維結構或者三維微結構區域可產生低剪切力,在腔室內形成濃度梯度,進而對藥物進行毒性分析;微流控芯片集成化非常明顯,將藥物的合成分離富集、實驗細胞培養、藥物效果檢測等多個步驟集成于一張芯片,實現了藥物篩選的自動化分析。

      器官集成芯片與器官仿生

      生物組織、器官的體外模型是揭示人類生理和病理的不可缺少的工具。而基于微流控芯片的器官模型通過特定方式將細胞培養或組裝到微流控芯片中,根據生物體中的器官結構在體外對其進行重建,用以研究特定環境下器官的生理機能和構建體外的特異性疾病模型。這種技術對于藥物毒性和藥效的預測比常規體外模型更有潛力,它能夠提供對于組織乃至器官水平的作用機制的深入了解,能應用于藥物的吸收、分布、代謝和排泄的預測以及藥物毒性的研究。

      以微流控技術在神經系統疾病中的研究應用為例,在過去的研究中,動物模型通常被用于腦部結構及其相關疾病的模擬,但是這種方法價格昂貴、效率低、實驗復雜以及耗時多,嚴重限制了神經疾病研究的發展。近年來,利用微流控芯片技術已經能夠在體外很好地模擬中樞神經系統 (CNS),建立疾病模型,進而讓我們對神經性疾病,如阿爾茲海默病、帕金森病等的研究有更深入的了解。

      小結

      微流控芯片在疾病診斷方面的相關研究還包括生物標志物免疫分析、核酸測序等 。作為一種新興的科學技術,微流控研究已經涉及化學、生物學、工程學和物理學等諸多領域。微流控技術發展前景巨大,與其他的代表性技術會在更為廣泛的研究領域中交叉滲透,發展迅速,為醫學研究與臨床轉化作出巨大的貢獻。


    (審核編輯: 林靜)

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