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微流控芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)跟原理介紹
2021-01-18
按照技術(shù)原理,可暫將分子診斷技術(shù)大致劃分為PCR技術(shù)、分子雜交、基因測(cè)序、核酸質(zhì)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(shù)的相關(guān)情況.在本文之前,小編已經(jīng)陸續(xù)整理了一些相關(guān)文章,包括對(duì)分子診斷技術(shù)概況的介紹、NGS技術(shù)在病原微生物檢測(cè)中的應(yīng)用、數(shù)字PCR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用、基因檢測(cè)的廣泛用途等文章,可供讀者全面了解相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí).
微流控技術(shù)的主要形式為微流控芯片或者稱芯片實(shí)驗(yàn)室,主要是指以生物化學(xué)和分析化學(xué)為基礎(chǔ),以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征,將整個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室的功能,包括采樣、樣品前處理、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集合在一塊幾平方厘米的芯片上進(jìn)行分析的技術(shù).
生命分析技術(shù)不斷發(fā)展,在新的時(shí)代背景,又面臨新挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇:要求在特別小的空間,特定的時(shí)間,特定的外界條件進(jìn)行物質(zhì)定性、定量、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析等工作.而微流控技術(shù)的出現(xiàn)為生命分析面臨的三大特殊挑戰(zhàn)提供了有力的操控工具.微流控技術(shù)具有如下特點(diǎn):
· 集成小型化與自動(dòng)化: 通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設(shè)計(jì)的搭配組合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的集成小型化和自動(dòng)化.
· 高通量分析:芯片設(shè)計(jì)多流道、多個(gè)反應(yīng)單元的相互隔離,使各個(gè)反應(yīng)互不干擾.
· 檢測(cè)試劑消耗少,樣本量需求少:微流控芯片反應(yīng)單元腔體特別小,試劑使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)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(shù)的應(yīng)用
微流控技術(shù)問世至今有近30年歷史,但其發(fā)展迅猛,被稱為下一代醫(yī)療診斷"顛覆性技術(shù)".通過利用微流體芯片進(jìn)行的研究一直都在不斷進(jìn)行中,近日一項(xiàng)關(guān)于乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移相關(guān)的研究就用到該技術(shù).來自密西根大學(xué)安娜堡分校的研究人員利用新開發(fā)的高通量微流體芯片,發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞的重要特性之一 — 吞噬間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSC).該研究指出癌細(xì)胞通過吞噬MSC,增強(qiáng)了自身侵襲性,讓癌癥迅速發(fā)展擴(kuò)散.研究認(rèn)為阻止乳腺癌細(xì)胞系的吞噬行為,有望成為遏制乳腺癌轉(zhuǎn)移的新方向,而相關(guān)的基因和分子也是乳腺癌診斷治療的潛在靶點(diǎn),這將是為諸多患者帶來新的希望.另外,我們對(duì)關(guān)于微流體芯片的應(yīng)用作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹.
細(xì)胞分選
通過不同的分選原理,微流控芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同細(xì)胞的分離.以循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTCs)為例,該細(xì)胞主要來自腫瘤組織自發(fā)脫落的外周血液中,其對(duì)惡性腫瘤傳播轉(zhuǎn)移具有重要影響,已逐漸被認(rèn)為是腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的標(biāo)志.對(duì)外周血中極微量的具有特異性、敏感性的CTCs進(jìn)行分選、富集及檢測(cè),不僅有利于腫瘤的早期診斷、療效評(píng)價(jià)及復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移監(jiān)控,還可以為后續(xù)的CTCs鑒定和下游單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序提供良好基礎(chǔ),為腫瘤靶向治療提供新策略,在臨床上個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域有重要意義.
微流控技術(shù)可在微米尺度下整合物理、化學(xué)及生物學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)微量CTCs的高通量、高效率以及低成本分選富集,該技術(shù)發(fā)展迅速并已被廣泛研究應(yīng)用.新開發(fā)的微流體平臺(tái)IsoFlux使用微流體通道確保將磁性顆粒標(biāo)記的CTCs充分可靠地暴露于密集且強(qiáng)度均勻的磁場(chǎng)中,以實(shí)現(xiàn)高效的細(xì)胞富集回收.
藥物篩選
藥物篩選是現(xiàn)代藥物開發(fā)流程中測(cè)試和獲取特定生理活性化合物的一個(gè)步驟.微流控芯片技術(shù)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(diǎn),已經(jīng)成為一種非常具有潛力的藥物及先導(dǎo)化合物的高效篩選工具.
微流控芯片可以集成256個(gè)或者細(xì)胞培養(yǎng)腔微陣列,改變細(xì)胞常規(guī)培養(yǎng)方法,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞藥物篩選的高通量化;芯片微納升級(jí)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(shè)計(jì)的二維結(jié)構(gòu)或者三維微結(jié)構(gòu)區(qū)域可產(chǎn)生低剪切力,在腔室內(nèi)形成濃度梯度,進(jìn)而對(duì)藥物進(jìn)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(shí)驗(yàn)細(xì)胞培養(yǎng)、藥物效果檢測(cè)等多個(gè)步驟集成于一張芯片,實(shí)現(xiàn)了藥物篩選的自動(dòng)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(xì)胞培養(yǎng)或組裝到微流控芯片中,根據(jù)生物體中的器官結(jié)構(gòu)在體外對(duì)其進(jìn)行重建,用以研究特定環(huán)境下器官的生理機(jī)能和構(gòu)建體外的特異性疾病模型.這種技術(shù)對(duì)于藥物毒性和藥效的預(yù)測(cè)比常規(guī)體外模型更有潛力,它能夠提供對(duì)于組織乃至器官水平的作用機(jī)制的深入了解,能應(yīng)用于藥物的吸收、分布、代謝和排泄的預(yù)測(cè)以及藥物毒性的研究.
以微流控技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究應(yīng)用為例,在過去的研究中,動(dòng)物模型通常被用于腦部結(jié)構(gòu)及其相關(guān)疾病的模擬,但是這種方法價(jià)格昂貴、效率低、實(shí)驗(yàn)復(fù)雜以及耗時(shí)多,嚴(yán)重限制了神經(jīng)疾病研究的發(fā)展.近年來,利用微流控芯片技術(shù)已經(jīng)能夠在體外很好地模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS),建立疾病模型,進(jìn)而讓我們對(duì)神經(jīng)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(jié)
微流控芯片在疾病診斷方面的相關(guān)研究還包括生物標(biāo)志物免疫分析、核酸測(cè)序等 .作為一種新興的科學(xué)技術(shù),微流控研究已經(jīng)涉及化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等諸多領(lǐng)域.微流控技術(shù)發(fā)展前景巨大,與其他的代表性技術(shù)會(huì)在更為廣泛的研究領(lǐng)域中交叉滲透,發(fā)展迅速,為醫(yī)學(xué)研究與臨床轉(zhuǎn)化作出巨大的貢獻(xiàn).
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