一、微流控與微流控芯片

微流(liu)(liu)(liu)控(kong)（Microfluidics）的(de)含義是微尺度(du)下(xia)的(de)流(liu)(liu)(liu)體控(kong)制，其研(yan)究(jiu)對象(xiang)是使用微米級通道操控(kong)納升級以下(xia)微量液體的(de)系統[1-3]。鑒于芯(xin)片(pian)是實現微流(liu)(liu)(liu)體控(kong)制的(de)主(zhu)要平臺，因而(er)微流(liu)(liu)(liu)控(kong)芯(xin)片(pian)（Microfluidic chip）是微流(liu)(liu)(liu)控(kong)的(de)主(zhu)要研(yan)究(jiu)內容(rong)。

微(wei)(wei)流(liu)(liu)控芯片的制(zhi)作主(zhu)要依托于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)，具有(you)在微(wei)(wei)米尺度(du)級(ji)別(bie)實(shi)現微(wei)(wei)量流(liu)(liu)體(ti)操控的能力(li)。微(wei)(wei)流(liu)(liu)控芯片技術的特點(dian)來自于兩個方(fang)面(mian)：一是(shi)(shi)微(wei)(wei)流(liu)(liu)體(ti)的特性微(wei)(wei)尺度(du)下流(liu)(liu)體(ti)的一系列特殊(shu)效(xiao)應(ying)包括層流(liu)(liu)效(xiao)應(ying)、表面(mian)張力(li)及毛細效(xiao)應(ying)、快速(su)熱傳導效(xiao)應(ying)和(he)擴散效(xiao)應(ying)等，這些效(xiao)應(ying)有(you)利于精確流(liu)(liu)體(ti)控制(zhi)和(he)實(shi)現快速(su)反應(ying)；二是(shi)(shi)微(wei)(wei)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)帶來的結構(gou)復雜性微(wei)(wei)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)具有(you)加工(gong)(gong)小(xiao)尺寸、高密度(du)微(wei)(wei)結構(gou)的能力(li)，便于實(shi)現各種操作單元(yuan)的靈活組合與規模集成。因(yin)此(ci)，樣(yang)品前處理、分離與分析、檢測(ce)等實(shi)驗流(liu)(liu)程得以在同(tong)一芯片上集成化(hua)和(he)并行化(hua)，從而(er)達到微(wei)(wei)型(xing)化(hua)、自動化(hua)、低消(xiao)耗和(he)高效(xiao)率的目的[4,5]。

微(wei)(wei)流控(kong)研究起(qi)始(shi)于20世(shi)紀90年(nian)(nian)代，至今(jin)已經有(you)二十余年(nian)(nian)的發(fa)展歷史，其間經歷了(le)(le)基礎理論奠定、單元操作技術(shu)發(fa)展、小規模集成和大規模集成幾(ji)個歷史發(fa)展階段。至今(jin)，微(wei)(wei)流控(kong)技術(shu)已經較為(wei)(wei)成熟，已經在多(duo)個領域(yu)得到認(ren)可并(bing)廣(guang)為(wei)(wei)利用,其產業化趨勢(shi)亦是(shi)愈發(fa)明顯[6]。2003年(nian)(nian)《福布斯》雜(za)(za)志把這項技術(shu)評為(wei)(wei)“影響人類未來15件最重要(yao)發(fa)明之(zhi)一”；2004年(nian)(nian)，美國Business 2.0雜(za)(za)志封面文章將微(wei)(wei)流控(kong)芯片列為(wei)(wei)“改變世(shi)界”的七種技術(shu)之(zhi)一；2006年(nian)(nian)Nature雜(za)(za)志出版了(le)(le)一期(qi)微(wei)(wei)流控(kong)專輯，題名(ming)為(wei)(wei)“本世(shi)紀的技術(shu)”。

二、微流控體外診斷技術的優勢

體(ti)(ti)(ti)(ti)外(wai)診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)（In vitro diagnosis,IVD），是(shi)指對人體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)體(ti)(ti)(ti)(ti)液(ye)和(he)組織等(deng)進(jin)(jin)行檢(jian)測(ce)(ce)而(er)獲得臨(lin)床診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)信息。微流(liu)控(kong)芯(xin)(xin)片(pian)是(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)外(wai)診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)的(de)有(you)利技(ji)術(shu)平臺[7,8]，這表(biao)現在(zai)以(yi)(yi)下幾個方面：1.應用場景(jing)拓(tuo)展(zhan)傳統(tong)的(de)檢(jian)驗設備多為大(da)(da)型(xing)儀器，雖(sui)然(ran)在(zai)測(ce)(ce)試通量和(he)穩定(ding)性上具有(you)優(you)勢(shi)(shi)，但其使(shi)用局限(xian)于(yu)專業(ye)實驗室。微流(liu)控(kong)芯(xin)(xin)片(pian)系(xi)統(tong)體(ti)(ti)(ti)(ti)積小巧、操作(zuo)簡單(dan)，完全可(ke)以(yi)(yi)在(zai)門急診(zhen)(zhen)、基層醫療單(dan)位甚(shen)至床邊進(jin)(jin)行檢(jian)測(ce)(ce)，這極(ji)大(da)(da)地拓(tuo)展(zhan)了(le)體(ti)(ti)(ti)(ti)外(wai)診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)的(de)應用空(kong)間；2.分(fen)析(xi)(xi)效率的(de)提高集成化和(he)并行化設計(ji)的(de)微流(liu)控(kong)芯(xin)(xin)片(pian)系(xi)統(tong)，有(you)能力在(zai)短時(shi)間內提供更為豐富的(de)診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)信息，因而(er)顯著提升了(le)分(fen)析(xi)(xi)效率；3.測(ce)(ce)試成本的(de)下降微流(liu)控(kong)芯(xin)(xin)片(pian)使(shi)用微反應體(ti)(ti)(ti)(ti)系(xi)，能夠大(da)(da)幅降低試樣消耗(hao)從而(er)降低測(ce)(ce)試成本[9]。概(gai)括來講(jiang)，微流(liu)控(kong)體(ti)(ti)(ti)(ti)外(wai)診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)技(ji)術(shu)的(de)優(you)勢(shi)(shi)可(ke)以(yi)(yi)歸結為多、快、好、省四個字，這種(zhong)分(fen)析(xi)(xi)技(ji)術(shu)無疑是(shi)對現有(you)體(ti)(ti)(ti)(ti)外(wai)診(zhen)(zhen)斷(duan)(duan)技(ji)術(shu)的(de)巨大(da)(da)提升。

微(wei)流(liu)(liu)控體外(wai)(wai)(wai)診(zhen)斷(duan)技(ji)術(shu)(shu)已(yi)經(jing)引起了國家(jia)(jia)層(ceng)面的(de)(de)重視。2016年國務院“十(shi)三(san)五”國家(jia)(jia)科(ke)技(ji)創新規劃(hua)中(zhong)關(guan)于(yu)體外(wai)(wai)(wai)診(zhen)斷(duan)產(chan)(chan)品的(de)(de)章節寫(xie)到(dao)“突破(po)微(wei)流(liu)(liu)控芯片等(deng)關(guan)鍵技(ji)術(shu)(shu)，開發(fa)全自動核(he)酸檢測(ce)系統等(deng)一(yi)批重大產(chan)(chan)品，研(yan)發(fa)一(yi)批重大疾病早期(qi)診(zhen)斷(duan)和精確治療診(zhen)斷(duan)試(shi)劑以(yi)及(ji)適合基層(ceng)醫療機構的(de)(de)高精度診(zhen)斷(duan)產(chan)(chan)品，提(ti)升我國體外(wai)(wai)(wai)診(zhen)斷(duan)產(chan)(chan)業競爭力”。由此(ci)可見，微(wei)流(liu)(liu)控體外(wai)(wai)(wai)診(zhen)斷(duan)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展已(yi)經(jing)上升到(dao)國家(jia)(jia)戰(zhan)略層(ceng)面。

作者所(suo)在(zai)研(yan)究團(tuan)隊工(gong)作于臨床檢(jian)(jian)驗(yan)第一線，課(ke)題(ti)組的(de)(de)研(yan)究方(fang)向是針對臨床檢(jian)(jian)驗(yan)中的(de)(de)痛點問題(ti)發展創新微流(liu)控(kong)(kong)診(zhen)斷(duan)技術。經歷了十余年的(de)(de)研(yan)究歷程，課(ke)題(ti)組對于微流(liu)控(kong)(kong)體外診(zhen)斷(duan)技術在(zai)臨床檢(jian)(jian)驗(yan)醫(yi)學中的(de)(de)應用價值逐步(bu)加深了理解。本(ben)文(wen)中就(jiu)課(ke)題(ti)組對于微流(liu)控(kong)(kong)技術的(de)(de)理解以及我們(men)的(de)(de)一些體外診(zhen)斷(duan)應用嘗試(shi)與(yu)大家分享，希(xi)望能(neng)夠(gou)對檢(jian)(jian)驗(yan)醫(yi)學同仁有所(suo)幫助。

三、微流控芯片技術在體外診斷領域的應用嘗試

當(dang)前(qian)，傳統(tong)的體(ti)(ti)外(wai)診(zhen)斷技術已經(jing)極(ji)為成熟(shu)。微(wei)流控(kong)體(ti)(ti)外(wai)診(zhen)斷產品若要進入體(ti)(ti)外(wai)診(zhen)斷市場(chang)，勢必要展示(shi)出高人一籌(chou)的能力。相比(bi)較傳統(tong)的宏(hong)觀檢(jian)驗(yan)設備，微(wei)流控(kong)產品最大的市場(chang)拓展潛力在于：1.針對傳統(tong)產品無法適用(yong)的應用(yong)環境開發產品；2.發展性(xing)(xing)(xing)能指標和(he)操作(zuo)便(bian)利性(xing)(xing)(xing)具有明顯優勢的顛覆性(xing)(xing)(xing)新產品。一個(ge)成功的微(wei)流控(kong)體(ti)(ti)外(wai)診(zhen)斷產品，需要在操作(zuo)便(bian)利性(xing)(xing)(xing)、分析速度、分析通量(liang)和(he)測試成本等幾個(ge)方面(mian)達到平(ping)衡。以(yi)下，我(wo)們就課題組在幾個(ge)關(guan)鍵的臨床檢(jian)驗(yan)應用(yong)領域的研究工作(zuo)加以(yi)介(jie)紹。

（一(yi)）分子(zi)診斷(duan)

分(fen)子診(zhen)斷(duan)是新(xin)興的檢(jian)驗醫(yi)學領域。隨(sui)著熒(ying)(ying)光定(ding)量PCR的推(tui)廣(guang)，基因(yin)檢(jian)測技(ji)(ji)術(shu)在(zai)臨床醫(yi)學中得(de)到(dao)了廣(guang)泛應用(yong)。盡管如此，現(xian)(xian)有(you)核(he)酸(suan)分(fen)析(xi)平臺的一些不足之處還(huan)(huan)是限(xian)(xian)制了分(fen)子診(zhen)斷(duan)技(ji)(ji)術(shu)的推(tui)廣(guang)：1）場地要求嚴格，試(shi)劑準備、核(he)酸(suan)提取和擴(kuo)增需要分(fen)別在(zai)獨立房間內進行(xing)，極(ji)大限(xian)(xian)制了該技(ji)(ji)術(shu)在(zai)醫(yi)療資源有(you)限(xian)(xian)條件下的開展；2）采用(yong)離線式分(fen)析(xi)，操作復雜、分(fen)析(xi)周期較長，不利(li)于應對(dui)突發性事(shi)件；3）現(xian)(xian)有(you)的熒(ying)(ying)光定(ding)量PCR方法多(duo)是針(zhen)對(dui)單(dan)一指標檢(jian)測設計，對(dui)于多(duo)重基因(yin)檢(jian)測無論(lun)是操作繁瑣程(cheng)度(du)還(huan)(huan)是測試(shi)成本(ben)均是難以接(jie)受的。

分子診(zhen)斷(duan)(duan)是微流控芯片技術最具(ju)有代(dai)表性的應(ying)用(yong)領域。對于(yu)(yu)(yu)分子診(zhen)斷(duan)(duan)應(ying)用(yong)，微流控芯片最大的貢獻在(zai)于(yu)(yu)(yu)該技術有潛力(li)將(jiang)核酸提取、擴增(zeng)和檢(jian)測集成于(yu)(yu)(yu)同一裝置，因而(er)可(ke)擺脫(tuo)繁瑣操作以(yi)及對專業實驗室(shi)的依賴。此外，由于(yu)(yu)(yu)反應(ying)過程處(chu)于(yu)(yu)(yu)封閉的環境(jing)中，可(ke)以(yi)消除交叉污(wu)染的可(ke)能性。除了功能集成，微流控核酸分析芯片還需要具(ju)有一定(ding)的分析通量以(yi)滿足臨(lin)床(chuang)實際需求。已經商(shang)業化的微流控分子診(zhen)斷(duan)(duan)產品基本都(dou)是針對病(bing)原(yuan)微生物檢(jian)測應(ying)用(yong)，其價值(zhi)在(zai)于(yu)(yu)(yu)：1.實現現場快速檢(jian)測；2.解決難于(yu)(yu)(yu)培養鑒定(ding)病(bing)原(yuan)（如結(jie)核桿菌(jun)、病(bing)毒(du)、支(zhi)原(yuan)體等）鑒定(ding)問(wen)題(ti)。

作者課題組最近發展(zhan)一(yi)種(zhong)液滴陣列微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)核酸分析(xi)系(xi)(xi)統[10]。這(zhe)(zhe)種(zhong)便(bian)攜式(shi)系(xi)(xi)統包(bao)含(han)機(ji)械、磁力和光學(xue)檢(jian)測單元(yuan)，其設計理念是平(ping)衡集成(cheng)、通量、成(cheng)本及便(bian)攜性(xing)等(deng)(deng)關鍵因素，發展(zhan)適合(he)于(yu)現(xian)場(chang)應(ying)用(yong)的病原(yuan)篩(shai)查(cha)工具。系(xi)(xi)統所(suo)用(yong)微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)上設計有多組以(yi)(yi)狹(xia)縫通道(dao)連通的串聯(lian)微(wei)池(chi)，全部分析(xi)試劑(ji)均以(yi)(yi)油包(bao)水形式(shi)預存儲于(yu)其中。由于(yu)表面張力效應(ying)，油相可(ke)(ke)以(yi)(yi)浸潤微(wei)池(chi)和狹(xia)縫而水相不能(neng)。利用(yong)磁鐵陣列驅(qu)動磁珠在(zai)串聯(lian)液滴中穿(chuan)行，程序化(hua)完成(cheng)細(xi)胞裂解-核酸結合(he)、磁珠洗(xi)滌、核酸洗(xi)脫、擴增(zeng)/檢(jian)測等(deng)(deng)一(yi)系(xi)(xi)列步驟，從而實現(xian)自動化(hua)和平(ping)行化(hua)核酸分析(xi)。該系(xi)(xi)統極為緊湊，適合(he)于(yu)現(xian)場(chang)快速(su)檢(jian)測及醫(yi)院(yuan)門(men)急診場(chang)景下的“隨到隨檢(jian)、快速(su)響(xiang)應(ying)”需(xu)求。課題組將這(zhe)(zhe)一(yi)系(xi)(xi)統用(yong)于(yu)性(xing)傳播疾病病原(yuan)篩(shai)查(cha)，淋病奈瑟菌、沙眼衣原(yuan)體(ti)(ti)、解脲脲原(yuan)體(ti)(ti)、生(sheng)殖支(zhi)原(yuan)體(ti)(ti)等(deng)(deng)四種(zhong)病原(yuan)的篩(shai)查(cha)可(ke)(ke)在(zai)45 min內完成(cheng)。

圖1液滴陣(zhen)列微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)核酸分析(xi)(xi)系統。A.分析(xi)(xi)儀器實物(wu)及結構示(shi)意圖;B.分析(xi)(xi)原理示(shi)意圖。

（二）免疫檢測

免(mian)(mian)(mian)疫(yi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)是(shi)臨床(chuang)檢(jian)(jian)(jian)驗(yan)(yan)極為重要(yao)的(de)領(ling)域。目(mu)前(qian)，臨床(chuang)免(mian)(mian)(mian)疫(yi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)的(de)主流(liu)技(ji)術是(shi)化學發光和免(mian)(mian)(mian)疫(yi)比濁法(fa)，具有靈敏(min)度高和檢(jian)(jian)(jian)測(ce)線(xian)性(xing)(xing)范(fan)圍寬的(de)優勢。這(zhe)些檢(jian)(jian)(jian)測(ce)方(fang)法(fa)一(yi)般(ban)使(shi)用(yong)大(da)型儀器，分析通量較高。但是(shi)，由(you)于(yu)購置(zhi)成本和儀器體(ti)積因素，這(zhe)類設備僅適合于(yu)大(da)型實(shi)驗(yan)(yan)室使(shi)用(yong)。基于(yu)試(shi)紙條的(de)膠(jiao)體(ti)金法(fa)是(shi)快(kuai)速免(mian)(mian)(mian)疫(yi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)的(de)主流(liu)技(ji)術，該技(ji)術雖(sui)然使(shi)用(yong)方(fang)便，但在靈敏(min)度和線(xian)性(xing)(xing)范(fan)圍方(fang)面受限。因此，臨床(chuang)檢(jian)(jian)(jian)驗(yan)(yan)工作需(xu)要(yao)一(yi)種兼(jian)具操作便利(li)性(xing)(xing)、檢(jian)(jian)(jian)測(ce)靈敏(min)度和定(ding)量準確性(xing)(xing)的(de)免(mian)(mian)(mian)疫(yi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)平臺(tai)，這(zhe)對于(yu)急診以及基層醫療單(dan)位尤(you)其重要(yao)。

圖(tu)(tu)2液(ye)滴陣(zhen)列(lie)微(wei)流控芯片免(mian)疫分析(xi)系統(tong)。A.分析(xi)儀(yi)器結構示意(yi)圖(tu)(tu);B.分析(xi)原理示意(yi)圖(tu)(tu)。

作者課題組發(fa)展了一種(zhong)微(wei)流(liu)控(kong)芯片免(mian)疫(yi)(yi)(yi)化(hua)(hua)(hua)(hua)學發(fa)光(guang)(guang)分(fen)(fen)析(xi)系(xi)統(tong)(tong)[10]。與(yu)前面(mian)介(jie)紹的液(ye)(ye)(ye)滴陣列微(wei)流(liu)控(kong)芯片核酸分(fen)(fen)析(xi)系(xi)統(tong)(tong)類(lei)似(si)，免(mian)疫(yi)(yi)(yi)化(hua)(hua)(hua)(hua)學發(fa)光(guang)(guang)分(fen)(fen)析(xi)系(xi)統(tong)(tong)采用具有平行串(chuan)聯微(wei)池結(jie)(jie)構的微(wei)流(liu)控(kong)芯片。免(mian)疫(yi)(yi)(yi)化(hua)(hua)(hua)(hua)學發(fa)光(guang)(guang)分(fen)(fen)析(xi)相關的一組試(shi)劑(ji)以油包水液(ye)(ye)(ye)滴形式預(yu)存儲于指(zhi)定微(wei)池中。由(you)于表面(mian)張力(li)效應(ying)(ying)，狹縫(feng)可以隔絕水相溶液(ye)(ye)(ye)。通過程序化(hua)(hua)(hua)(hua)的磁力(li)操控(kong)，在液(ye)(ye)(ye)滴間轉(zhuan)移磁珠(zhu)(zhu)，從而將(jiang)化(hua)(hua)(hua)(hua)學發(fa)光(guang)(guang)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)分(fen)(fen)析(xi)涉及的一系(xi)列操作，包括抗原-抗體結(jie)(jie)合(he)、磁珠(zhu)(zhu)洗滌(di)、酶促發(fa)光(guang)(guang)及信號檢(jian)(jian)測，在芯片分(fen)(fen)析(xi)系(xi)統(tong)(tong)內自(zi)動完(wan)成。研(yan)究(jiu)利用發(fa)展的微(wei)流(liu)控(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)學發(fa)光(guang)(guang)免(mian)疫(yi)(yi)(yi)分(fen)(fen)析(xi)方法，進行了C反(fan)應(ying)(ying)蛋白(CRP)與(yu)降鈣素原(PCT)兩種(zhong)感染性疾病標記物的同步檢(jian)(jian)測。在優化(hua)(hua)(hua)(hua)的實驗(yan)條件下，整(zheng)個(ge)過程可在15 min內完(wan)成。CRP與(yu)PCT檢(jian)(jian)測限(xian)分(fen)(fen)別(bie)為(wei)0.31 ng?mL-1和(he)0.09 ng?mL-1，標準(zhun)曲線(xian)線(xian)性范圍分(fen)(fen)別(bie)為(wei)0.8-200 ng?mL-1和(he)0.5-60 ng?mL-1，對(dui)照(zhao)測試(shi)提示微(wei)流(liu)控(kong)芯片系(xi)統(tong)(tong)與(yu)商品(pin)化(hua)(hua)(hua)(hua)儀器檢(jian)(jian)測結(jie)(jie)果高度一致(zhi)。

（三）病原微生物檢測(ce)

病(bing)原微(wei)生物(wu)檢(jian)測(ce)主(zhu)要包括病(bing)原鑒(jian)(jian)定和(he)藥物(wu)敏感(gan)性(xing)(xing)判定兩個方面。目(mu)前，臨(lin)床微(wei)生物(wu)檢(jian)測(ce)面臨(lin)的最大問題(ti)就是檢(jian)測(ce)周期過長。感(gan)染性(xing)(xing)疾(ji)病(bing)大多(duo)病(bing)情兇險，需(xu)要及(ji)時診斷(duan)和(he)治(zhi)療(liao)，留(liu)給(gei)病(bing)原檢(jian)測(ce)的時間窗口只(zhi)有(you)30分鐘左右。然而，目(mu)前的病(bing)原微(wei)生物(wu)鑒(jian)(jian)定和(he)藥物(wu)敏感(gan)性(xing)(xing)判定的典型周期是2-3天(tian)，這顯然難(nan)(nan)以(yi)滿足臨(lin)床需(xu)求。病(bing)原檢(jian)測(ce)技術(shu)的限制所帶來(lai)的結(jie)果是，一方面經驗性(xing)(xing)診斷(duan)的準確(que)性(xing)(xing)難(nan)(nan)于保證，另一方面抗生素濫用引發了(le)嚴重的耐藥問題(ti)。

微(wei)流(liu)控(kong)(kong)技術(shu)對(dui)于(yu)(yu)病原微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)鑒定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)解(jie)決方案(an)多是采(cai)用(yong)核(he)酸檢測策(ce)略，這(zhe)(zhe)在前面部分(fen)已經敘述。鑒于(yu)(yu)藥物(wu)敏(min)(min)感性(xing)(Antimicrobial Susceptibility Testing,AST)判(pan)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)實質是病原在藥物(wu)暴露條(tiao)件下的(de)(de)(de)(de)增殖情況判(pan)定(ding)(ding)，微(wei)流(liu)控(kong)(kong)技術(shu)采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)策(ce)略是：1.通過培養器體(ti)積的(de)(de)(de)(de)減小，實現檢測信號的(de)(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)富集；2.使用(yong)更為精準(zhun)的(de)(de)(de)(de)病原定(ding)(ding)量(liang)技術(shu)。這(zhe)(zhe)兩(liang)種策(ce)略均(jun)可(ke)(ke)以通過縮(suo)短病原培養時(shi)間(jian)實現快速的(de)(de)(de)(de)藥物(wu)敏(min)(min)感性(xing)判(pan)定(ding)(ding)。遵(zun)循(xun)這(zhe)(zhe)種理念，作者課題組發展了一種基于(yu)(yu)液(ye)(ye)滴陣列微(wei)流(liu)控(kong)(kong)芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)數字化抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素敏(min)(min)感性(xing)測試(shi)方法[11]。我(wo)們的(de)(de)(de)(de)設想(xiang)是借助于(yu)(yu)數字化分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)(de)精準(zhun)定(ding)(ding)量(liang)能力顯著縮(suo)短細(xi)菌(jun)培養時(shi)間(jian)。細(xi)菌(jun)懸液(ye)(ye)與抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素孵育后引入微(wei)流(liu)控(kong)(kong)芯片(pian)完成(cheng)液(ye)(ye)滴發生(sheng)(sheng)(sheng)和(he)捕獲，生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)高密度微(wei)液(ye)(ye)滴陣列。通過對(dui)液(ye)(ye)滴陣列進(jin)行熒光掃描成(cheng)像，檢測每個液(ye)(ye)滴中的(de)(de)(de)(de)熒光信號并以此計(ji)算(suan)出細(xi)菌(jun)存活(huo)率（v）和(he)陽性(xing)微(wei)液(ye)(ye)滴比(bi)(bi)例（p）。根據陽性(xing)微(wei)液(ye)(ye)滴比(bi)(bi)例，可(ke)(ke)以泊松分(fen)布算(suan)法推算(suan)出細(xi)菌(jun)密度,依據細(xi)菌(jun)密度變(bian)化可(ke)(ke)確定(ding)(ding)最小抑(yi)菌(jun)濃度（minimuminhibitory concentration,MIC）。我(wo)們的(de)(de)(de)(de)初步研究結果(guo)顯示應用(yong)該方法僅需(xu)30 min抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素暴露時(shi)間(jian)即可(ke)(ke)判(pan)定(ding)(ding)大腸桿菌(jun)的(de)(de)(de)(de)抗(kang)生(sheng)(sheng)(sheng)素敏(min)(min)感性(xing)。

圖3A.液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)微流控芯片原理設計(ji)圖結構(gou)包含上(shang)游的(de)液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)生成區和下游的(de)液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)捕獲區；B.利(li)用(yong)液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)熒光成像分(fen)辨細菌(jun)陽性(xing)和陰性(xing)液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)；C.液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)數字化分(fen)析顯示(shi)健康人和尿(niao)路(lu)感染(ran)病人尿(niao)液(ye)(ye)細菌(jun)計(ji)數差別；D.液(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)數字化分(fen)析顯示(shi)敏感和耐藥細菌(jun)對(dui)于抗生素的(de)反(fan)應。

（四）細胞水(shui)平抗腫(zhong)瘤藥物敏感性測試

體(ti)(ti)外抗(kang)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)藥(yao)物敏感性測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)是指導抗(kang)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)藥(yao)物合理使用(yong)的有(you)(you)效手段(duan)。雖然基(ji)因檢(jian)測(ce)(ce)(ce)可(ke)以(yi)用(yong)來預測(ce)(ce)(ce)抗(kang)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)藥(yao)物敏感性，然而(er)(er)該方法(fa)存在一定(ding)的不確定(ding)性。相(xiang)比之下(xia)，細(xi)胞水(shui)平的藥(yao)物測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)仍(reng)然是判(pan)定(ding)抗(kang)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)藥(yao)物敏感性更(geng)為直接可(ke)靠(kao)的手段(duan)。然而(er)(er)，由(you)于細(xi)胞水(shui)平抗(kang)腫(zhong)(zhong)瘤(liu)藥(yao)物敏感性測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)存在體(ti)(ti)內外實(shi)驗結果差異大、測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)通量有(you)(you)限以(yi)及操作難(nan)于標準化等問(wen)題，至今在臨床難(nan)以(yi)推廣。

針對該(gai)問題，課題組開發了一套微流(liu)(liu)控腫瘤微陣(zhen)列藥物測試(shi)系(xi)統[12]，其核(he)心(xin)是一種復合式結構開放式微流(liu)(liu)控芯(xin)片。芯(xin)片頂層(ceng)是開放式儲液(ye)(ye)池，底層(ceng)是細(xi)(xi)胞(bao)培養(yang)池陣(zhen)列，中(zhong)間層(ceng)是納米孔(kong)薄膜。利用納米孔(kong)薄膜不允(yun)許液(ye)(ye)體通過只允(yun)許跨膜擴(kuo)散的特性，將其用做止流(liu)(liu)閥實現細(xi)(xi)胞(bao)懸液(ye)(ye)自動(dong)分(fen)配以(yi)及用作擴(kuo)散屏障仿真血管內皮層(ceng)。配合移(yi)液(ye)(ye)工(gong)作站，這種微流(liu)(liu)控芯(xin)片可以(yi)實現藥物篩選所包含(han)的長期細(xi)(xi)胞(bao)培養(yang)、換液(ye)(ye)、多藥物處理(li)以(yi)及細(xi)(xi)胞(bao)存活檢測等一系(xi)列操作步驟。

研究(jiu)利(li)用自行設計加工(gong)的1010微流控(kong)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)培(pei)(pei)養(yang)(yang)陣列芯片(pian)，實現了細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)培(pei)(pei)養(yang)(yang)陣列構(gou)建、長期細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)培(pei)(pei)養(yang)(yang)、換液、多藥物(wu)處理以及(ji)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)存(cun)(cun)活檢測等一系列功能。乳(ru)腺(xian)癌細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)在持續(xu)培(pei)(pei)養(yang)(yang)3天(tian)后(hou)增殖形成了類(lei)組(zu)(zu)(zu)織結構(gou)。利(li)用開放式(shi)微流控(kong)組(zu)(zu)(zu)織陣列芯片(pian)實現了3因素3水平正交藥物(wu)組(zu)(zu)(zu)合測試，并依據(ju)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)存(cun)(cun)活率(lv)檢測結果(guo)篩(shai)選出最佳(jia)的抗乳(ru)腺(xian)癌藥物(wu)組(zu)(zu)(zu)合。研究(jiu)結果(guo)顯示(shi)這種明微流控(kong)芯片(pian)能夠以高度仿真的組(zu)(zu)(zu)織實現多藥組(zu)(zu)(zu)合測試，因而有潛力成為(wei)指導腫瘤個體化精準治療的有力工(gong)具。

圖4A.微(wei)流控(kong)腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)微(wei)陣列藥物(wu)(wu)(wu)測(ce)試系統包含一(yi)種復合式(shi)結(jie)構開放式(shi)微(wei)流控(kong)芯(xin)(xin)片以及移(yi)液工(gong)作站；B.微(wei)流控(kong)芯(xin)(xin)片上(shang)腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)微(wei)環(huan)境重建(jian)的示意圖。3D培養腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)模擬(ni)腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)實質，水凝膠(jiao)模擬(ni)支持和滋養腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)的腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)基質，納米孔薄膜擴(kuo)散屏障模擬(ni)血(xue)管內(nei)皮層(ceng)；C.微(wei)流控(kong)芯(xin)(xin)片上(shang)連續三(san)天內(nei)MCF-7乳腺癌(ai)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)增殖情況(kuang)。（Calcein-AM/EthD-1染色，比例尺：200μm）；D.抗(kang)腫(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)藥物(wu)(wu)(wu)正交(jiao)組合測(ce)試結(jie)果。藥物(wu)(wu)(wu)測(ce)試包括(kuo)LO2肝(gan)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)和MCF-7乳腺癌(ai)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)對(dui)A.阿霉素(su)，B.紫杉(shan)醇和C.順鉑的3因素(su)3水平(ping)正交(jiao)組合藥物(wu)(wu)(wu)的反應。

通(tong)過上述應(ying)(ying)用實例(li)，我們將微(wei)流(liu)(liu)控體(ti)外診斷(duan)(duan)技(ji)(ji)術(shu)的優勢概(gai)括為(wei)：1.應(ying)(ying)用場景的拓展；2.分析效率的提高；3.分析時(shi)間(jian)的縮短以及4.檢(jian)測精(jing)度的提升。由此可見，微(wei)流(liu)(liu)控芯(xin)片是極具優勢的體(ti)外診斷(duan)(duan)技(ji)(ji)術(shu)平(ping)臺。

四、微流控體外診斷技術的機遇與挑戰

目前，我國正處于巨大的(de)(de)社會變革過(guo)程，一(yi)方面(mian)國力(li)的(de)(de)增強和科技(ji)(ji)的(de)(de)進步促進了新技(ji)(ji)術的(de)(de)發展和推(tui)廣，另一(yi)方面(mian)新形勢對于體(ti)(ti)外診(zhen)斷(duan)行業提出(chu)了新的(de)(de)要求(qiu)。體(ti)(ti)外診(zhen)斷(duan)作(zuo)為一(yi)個高(gao)附加(jia)值行業，將(jiang)會在未來相當長的(de)(de)階段中快速(su)發展，甚(shen)至成為國家的(de)(de)支柱產業。隨著醫(yi)(yi)療改革的(de)(de)推(tui)進，三(san)級醫(yi)(yi)療體(ti)(ti)系將(jiang)逐漸完善，隨之而來的(de)(de)是醫(yi)(yi)療資源由集中轉變變為分(fen)散模式。公立醫(yi)(yi)院的(de)(de)改革以(yi)及第三(san)方檢驗機構的(de)(de)興(xing)起，勢必會對體(ti)(ti)外診(zhen)斷(duan)技(ji)(ji)術提出(chu)更高(gao)的(de)(de)要求(qiu)。在這(zhe)種形勢下，微流(liu)控技(ji)(ji)術將(jiang)會對體(ti)(ti)外診(zhen)斷(duan)行業的(de)(de)發展提供一(yi)個有利(li)的(de)(de)契機。

現實中的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)流(liu)(liu)控(kong)技(ji)術(shu)(shu)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)業(ye)進程仍然是(shi)(shi)步履艱難。從(cong)技(ji)術(shu)(shu)角度(du)來(lai)看，微(wei)流(liu)(liu)控(kong)體(ti)外(wai)(wai)診斷產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)開(kai)發(fa)(fa)(fa)(fa)涉及多個(ge)(ge)學科領域(yu)(yu)，包括(kuo)醫(yi)學、生物、化學和工(gong)程等。任(ren)何一(yi)個(ge)(ge)企(qi)業(ye)，想要建(jian)立這樣一(yi)個(ge)(ge)規模的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)(fa)隊(dui)伍都絕非易(yi)事。作為微(wei)流(liu)(liu)控(kong)系統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)核心，微(wei)流(liu)(liu)控(kong)芯片的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計、材料選(xuan)擇(ze)、表面(mian)(mian)處理(li)、芯片加(jia)工(gong)乃至(zhi)包裝(zhuang)保存，都具(ju)(ju)有一(yi)定(ding)技(ji)術(shu)(shu)難度(du)。因此，微(wei)流(liu)(liu)控(kong)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)(fa)難度(du)遠遠高于傳統(tong)體(ti)外(wai)(wai)診斷產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)。從(cong)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)業(ye)環境(jing)角度(du)來(lai)看，研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究、生產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)和應用(yong)單(dan)位的(de)(de)(de)(de)(de)脫(tuo)節，高端加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)欠缺都增加(jia)了微(wei)流(liu)(liu)控(kong)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)開(kai)發(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)難度(du)。此外(wai)(wai)，近期(qi)實體(ti)經(jing)濟的(de)(de)(de)(de)(de)低迷也導至(zhi)企(qi)業(ye)對(dui)于這種高技(ji)術(shu)(shu)含量產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)(fa)信心不(bu)足。對(dui)于微(wei)流(liu)(liu)控(kong)體(ti)外(wai)(wai)診斷產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)開(kai)發(fa)(fa)(fa)(fa)，我們(men)認(ren)為以(yi)下(xia)幾個(ge)(ge)方面(mian)(mian)需要關注：首先是(shi)(shi)明確的(de)(de)(de)(de)(de)市場定(ding)位，相(xiang)比(bi)較傳統(tong)技(ji)術(shu)(shu)，微(wei)流(liu)(liu)控(kong)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)必須在某(mou)(mou)個(ge)(ge)應用(yong)領域(yu)(yu)或(huo)應用(yong)場景下(xia)具(ju)(ju)有突出的(de)(de)(de)(de)(de)優勢；其次(ci)是(shi)(shi)前期(qi)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究基礎(chu)。由(you)于微(wei)流(liu)(liu)控(kong)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)(fa)技(ji)術(shu)(shu)門(men)檻較高，缺少(shao)扎實的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究基礎(chu)會增加(jia)開(kai)發(fa)(fa)(fa)(fa)進程的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)確定(ding)性(xing)(xing)；再者就(jiu)是(shi)(shi)盡(jin)量規避技(ji)術(shu)(shu)制約。由(you)于各種條(tiao)件限(xian)制，某(mou)(mou)些類型芯片可能(neng)在一(yi)定(ding)階段內(nei)不(bu)具(ju)(ju)備量產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)可行性(xing)(xing)。因此，我們(men)對(dui)于微(wei)流(liu)(liu)控(kong)診斷產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)開(kai)發(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)建(jian)議(yi)是(shi)(shi)：1.選(xuan)擇(ze)恰當的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)對(dui)象；2.整合(he)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)(fa)(fa)資源；3.開(kai)拓創造性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)(chan)學研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)合(he)作模式。

五、結語

總體(ti)看來，微(wei)流(liu)控體(ti)外診(zhen)斷技(ji)術的(de)(de)發(fa)展(zhan)前途是(shi)光明(ming)的(de)(de)，道路是(shi)曲折的(de)(de)。無論(lun)如何，我們堅信微(wei)流(liu)控技(ji)術是(shi)新形勢下應(ying)對(dui)(dui)臨床檢(jian)驗(yan)醫學(xue)挑戰(zhan)的(de)(de)有(you)力(li)工(gong)具，該技(ji)術勢必會對(dui)(dui)臨床檢(jian)驗(yan)能力(li)的(de)(de)提(ti)升起到巨大(da)的(de)(de)推(tui)動作用。

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