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微流控芯片技术优势跟原理介绍

2021-01-18

        按照技术原理,可暂将分子诊断技术大致划分为PCR技术、分子杂交、基因测序、核酸质谱、生物芯片(包括基因芯片、微流控芯片)5大类.今天就为大家分析介绍微流控技术的相关情况.在本文之前,小编已经陆续整理了一些相关文章,包括对分子诊断技术概况的介绍、NGS技术在病原微生物检测中的应用、数字PCR技术的优势及应用、基因检测的广泛用途等文章,可供读者全面了解相关领域的知识.
        微流控技术的主要形式为微流控芯片或者称芯片实验室,主要是指以生物化学和分析化学为基础,以微管道网络为结构特征,将整个分析实验室的功能,包括采样、样品前处理、反应、分离、检测等集合在一块几平方厘米的芯片上进行分析的技术.
        生命分析技术不断发展,在新的时代背景,又面临新挑战和发展机遇:要求在特别小的空间,特定的时间,特定的外界条件进行物质定性、定量、结构分析、形貌分析等工作.而微流控技术的出现为生命分析面临的三大特殊挑战提供了有力的操控工具.微流控技术具有如下特点:
        · 集成小型化与自动化: 通过流道的尺寸和曲度、微阀门、腔体设计的搭配组合实现检测的集成小型化和自动化.
        · 高通量分析:芯片设计多流道、多个反应单元的相互隔离,使各个反应互不干扰.
        · 检测试剂消耗少,样本量需求少:微流控芯片反应单元腔体特别小,试剂使用量远远低于常规操作.
        · 污染少:芯片集成功能避免了人工操作的污染.

        微流体芯片技术的应用
        微流控技术问世至今有近30年历史,但其发展迅猛,被称为下一代医疗诊断"颠覆性技术".通过利用微流体芯片进行的研究一直都在不断进行中,近日一项关于乳腺癌细胞转移相关的研究就用到该技术.来自密西根大学安娜堡分校的研究人员利用新开发的高通量微流体芯片,发现了转移性乳腺癌细胞的重要特性之一 — 吞噬间充质干细胞 (MSC).该研究指出癌细胞通过吞噬MSC,增强了自身侵袭性,让癌症迅速发展扩散.研究认为阻止乳腺癌细胞系的吞噬行为,有望成为遏制乳腺癌转移的新方向,而相关的基因和分子也是乳腺癌诊断治疗的潜在靶点,这将是为诸多患者带来新的希望.另外,我们对关于微流体芯片的应用作一个简单介绍.
 
        细胞分选
        通过不同的分选原理,微流控芯片可实现对不同细胞的分离.以循环肿瘤细胞(CTCs)为例,该细胞主要来自肿瘤组织自发脱落的外周血液中,其对恶性肿瘤传播转移具有重要影响,已逐渐被认为是肿瘤远处转移的标志.对外周血中极微量的具有特异性、敏感性的CTCs进行分选、富集及检测,不仅有利于肿瘤的早期诊断、疗效评价及复发转移监控,还可以为后续的CTCs鉴定和下游单细胞基因组和转录组测序提供良好基础,为肿瘤靶向治疗提供新策略,在临床上个性化医疗等领域有重要意义.
        微流控技术可在微米尺度下整合物理、化学及生物学方法,实现对微量CTCs的高通量、高效率以及低成本分选富集,该技术发展迅速并已被广泛研究应用.新开发的微流体平台IsoFlux使用微流体通道确保将磁性颗粒标记的CTCs充分可靠地暴露于密集且强度均匀的磁场中,以实现高效的细胞富集回收.
 
        药物筛选
        药物筛选是现代药物开发流程中测试和获取特定生理活性化合物的一个步骤.微流控芯片技术由于具有样品消耗量小、速度快、柱效高以及所用溶液体系较接近生物体液组成等特点,已经成为一种非常具有潜力的药物及先导化合物的高效筛选工具.
        微流控芯片可以集成256个或者细胞培养腔微阵列,改变细胞常规培养方法,实现细胞药物筛选的高通量化;芯片微纳升级体积大大减少了试剂消耗量,减低药物筛选成本;微流控芯片设计的二维结构或者三维微结构区域可产生低剪切力,在腔室内形成浓度梯度,进而对药物进行毒性分析;微流控芯片集成化非常明显,将药物的合成分离富集、实验细胞培养、药物效果检测等多个步骤集成于一张芯片,实现了药物筛选的自动化分析.
 
        器官集成芯片与器官仿生
        生物组织、器官的体外模型是揭示人类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过特定方式将细胞培养或组装到微流控芯片中,根据生物体中的器官结构在体外对其进行重建,用以研究特定环境下器官的生理机能和构建体外的特异性疾病模型.这种技术对于药物毒性和药效的预测比常规体外模型更有潜力,它能够提供对于组织乃至器官水平的作用机制的深入了解,能应用于药物的吸收、分布、代谢和排泄的预测以及药物毒性的研究.
        以微流控技术在神经系统疾病中的研究应用为例,在过去的研究中,动物模型通常被用于脑部结构及其相关疾病的模拟,但是这种方法价格昂贵、效率低、实验复杂以及耗时多,严重限制了神经疾病研究的发展.近年来,利用微流控芯片技术已经能够在体外很好地模拟中枢神经系统 (CNS),建立疾病模型,进而让我们对神经性疾病,如阿尔兹海默病、帕金森病等的研究有更深入的了解.
 
        小结
 
        微流控芯片在疾病诊断方面的相关研究还包括生物标志物免疫分析、核酸测序等 .作为一种新兴的科学技术,微流控研究已经涉及化学、生物学、工程学和物理学等诸多领域.微流控技术发展前景巨大,与其他的代表性技术会在更为广泛的研究领域中交叉渗透,发展迅速,为医学研究与临床转化作出巨大的贡献.

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