微流控芯片检测

作为液体活检的重要标志物之一,循环肿瘤细胞(CTCs)在外周血中的含量可以用来辅助判断患者的癌症病发状况。除此以外,CTCs对于肿瘤细胞转移行为等基础研究也具有非常重要的意义。然而人体血液中的CTCs含量极其稀少,通常仅有0~10个/mL,与之相对,红细胞、白细胞和血小板的含量则分别达到5×109 个/mL、4×106 个/mL和3×108 个/mL,而且肿瘤细胞在转移过程中可以通过上皮-间质转化(EMT)和间质-上皮转化(MET)来不断地改变自身的特征。正是由于其稀缺性和异质性,以及血液中复杂基质的干扰,CTCs的精准检测成为巨大的难题。 由于常规的光学分析手段在检出限和灵敏度上均难以达到直接检测的要求,因此通常在进行外周血中CTCs的检测之前,要通过一些样品前处理方法来实现其分离和富集。常采用的样品前处理方法可以分为物理法和化学法,物理法主要根据细胞在物理特征上的差异来进行分离,例如膜过滤分离和密度梯度离心,就是分别依据细胞的大小和密度来完成筛选。化学法则主要依靠生物大分子的特异性识别作用,例如抗原抗体相互作用,核酸适配体与靶标的选择性结合。　　上述样品前处理方法虽然能够在不同程度上实现CTCs的分离富集,但也存在着一定的缺陷。由于这些方法都是非连续性的,在吸附、洗脱和转移的过程中难免会造成细胞的丢失,加之CTCs本身的稀缺性,很容易导致假阴性结果的产生。利用微流控芯片功能集成的特点则可以很好地解决这一问题,CTCs的捕获、释放、计数及检测等操作均可在芯片上完成,连续的自动化处理可以有效减少人为误差的干扰。此外,微流控芯片所需要的进样量非常小,可以大大减少珍贵样品和试剂的消耗,降低检测成本。并且在微尺度下表面力的作用会明显放大,可以有效提高物质混合和反应的效率,实现快速高效的分离分析。因此,近年来多项研究尝试利用微流控芯片平台开展CTCs分离检测工作,取得了良好的效果。本文对微流控芯片技术用于CTCs分离检测的相关研究进展进行了综述,将采用的分离方法主要分为物理筛选和生物亲和两大类,同时囊括正向富集和反向富集两种策略。此外,对于近期发展的芯片原位检测CTCs新方法也进行了介绍。　　1、CTCs分离芯片研究进展　　作为商品化较为成功的CTCs分离检测系统,强生公司的CellSearch产品采用的是基于上皮细胞黏附分子(EpCAM)抗体特异性识别肿瘤细胞的方法,类似的方法在CTCs分离芯片中也被广泛使用,可以视作利用生物亲和作用进行CTCs分离富集的代表。　　另一方面,依据细胞在物理性质方面的差异,无须生物标志物的条件下即可实现CTCs的筛选,其中有无外力介入的被动分离方法,例如利用微尺度下流体力学中的惯性效应和黏弹性效应来进行筛分。　　也有外加物理场的主动分离方法,诸如介电泳、表面声波和光镊技术等。除了直接对CTCs进行特异性识别实现正向富集外,也可以通过选择性结合诸如白细胞等干扰,再将其排除,从而达到反向富集的效果。　　2、、芯片原位CTCs检测　　对于CTCs的检测,通常采取先进行细胞染色,再用荧光显微镜观察的方法,但该方法在灵敏度上有待提高,且重现性较差,需要手动操作和人工计数。　　此外,以荧光光谱为代表,一些常见的光谱检测手段也被广泛应用在芯片上CTCs的检测中。　　除了光学分析方法外,研究人员通过使用传感元件实现了CTCs芯片检测结果的数字化直读或可视化分析。　　3、总结与展望　　本文对CTCs分离微流控芯片的技术原理、分离策略和研究进展进行了综述。其技术原理主要分为物理筛选和生物亲和两大类,分离策略分为正向富集和反向富集两个方向。同时,介绍了CTCs芯片原位检测的主要技术方法和优化策略。随着微流控芯片技术的快速发展,其微尺度流体操控、微结构加工和集成传感检测能力得到极大提升,进一步推动了CTCs分离微流控芯片技术的发展。多项研究显示,以微流控芯片为平台来分离检测外周血中的CTCs,可以充分发挥芯片本身微量、高效、易于自动化和集成化的优势,最终实现对临床血液中CTCs的快速精准分析,在肿瘤早期诊断、复发与转移监测以及抗肿瘤药物评价等多个领域具有重要的应用空间。　　现阶段,CTCs芯片在筛选精度和筛选效率方面仍存在较大的提升空间。针对这一挑战,由于精准与高效二者难以兼得,未来的芯片设计应该更专注于单个目标的实现。一方面,针对基础研究,应当注重于提高CTCs筛选的细胞纯度及细胞活性。可以先利用惯性效应对血液进行粗分离,筛分出尺寸较大的白细胞和CTCs。再采用液滴分选的方法,通过免疫磁性分离实现CTCs的精确筛选。液滴分选技术能够达到单细胞分析的精度,利用液滴分选进行肿瘤细胞筛选也已有文献报道。另一方面,针对临床检测领域,研究重点则在于实现临床样本的高通量分析。可以采用电分析方法,依据不同种类细胞的比膜电容和细胞质电导率差异来设置恰当的阈值,对流经检测窗口的CTCs实现快速分析。此外,微流控芯片技术属于多学科交叉领域,CTCs芯片的发展同时也受益于微机电系统(MEMS)、材料学、流体力学和生物医学等研究领域的技术突破。随着相关领域研究技术的发展,CTCs芯片未来有望成为肿瘤基础研究和癌症早期临床诊断的重要平台。

内容简介本研究论文聚焦微生物的快速药敏检测研究。抗生素耐药是目前全球公共卫生安全面临的一项严峻挑战。病原菌的耐药性加速进化增加了临床治疗多重耐药感染的用药难度与病人死亡率。及时得到微生物的抗生素药物敏感性结果对于临床多重耐药感染的精准诊断与用药治疗具有重要意义。这项研究中设计了基于流阻的微液滴芯片，结合应用刃天青生物指示剂可在5 h内指示微生物在不同浓度抗生素下的生长。该芯片有若干独立的截留腔室，可自动产生抗生素浓度梯度并形成独立的微液滴用于检测细菌药敏性。该芯片简化了控制操作和设备集成，相较于传统方法缩短了药敏检测时间，具有良好的应用前景。引用本文Zhang H, Yao Y, Hui Y, et al., 2022. A 3D-printed microfluidic gradient concentration chip for rapid antibiotic-susceptibility testing. Bio-des Manuf 5(1):210–219. 文章导读图1 用于细菌抗生素药物敏感性检测的浓度梯度微流控芯片的设计与应用示意图：（a）芯片的制造流程；（b）芯片内产生梯度浓度的过程。其中芯片模具是用摩方精密nanoArch S140制备。图2 不同浓度刃天青的显色荧光显色效果：（a）除去阴性对照后的相对荧光强度；（b）阳性对照和阴性对照的荧光显色图图3 三种不同浓度抗生素对大肠杆菌生长的影响查看更多：PuSL高精密3D打印 官网：https://www.bmftec.cn/links/7

近年来，部分医疗检测设备的小型化、便携化，已经成为发展趋势。杭州电子科技大学副教授王骏超团队在微流控研究领域的研究，有望打开医疗检测设备小型化芯片设计制造的“快捷之门”。相关研究成果近日发表于《芯片实验室》（Lab on a Chip），并被英国皇家化学学会中文官微头条推介。据悉，微流控芯片不同于一般集成电路芯片，后者通过硅、铜材质的电路图电压运行工作，而前者则通过树脂、玻璃等聚合物里的液体（聚合物有惰性，不会和流经液体发生反应）压力差运行工作。“微流控芯片做液体检测，优势是液体样本量变小了，反应体芯片也很小，流体在微米级别大小会变得更可控。”王骏超告诉《中国科学报》，“流体到达微流控里的反应区，经过小型阀门的控制，发生生化反应，传感器件通过解码液体里隐藏的信息，得到医疗检测所要的结论，比如新冠核酸检测、病毒感染检测等等。”事实上，微流控作为专业术语有些“生僻”，但其应用对大众来说并不陌生。王骏超以验孕棒为例介绍道：“验孕棒就是用了微流控原理。女性将极少量尿液放到验孕棒试纸上，试纸就是一款基于纸张的微流控芯片，尿液进入微流控，通过生化反应，通过判断试纸出现单线或双线解码出女性是否已孕。”此项研究最大的创新点在于，大幅提升了微流控芯片仿真速度。众所周知，集成电路芯片生产出来，前面要经历软件设计、代工、封测等环节。芯片设计需要的EDA（电子设计自动化）软件设计工具，被认为是中国集成电路产业“卡脖子中的卡脖子”。微流控芯片设计也需要EDA软件设计工具，一般被称为MEDA，而王骏超团队通过芯片结构矩阵化，换句话说是“对芯片结构拍照”，将流体力学问题转化为“图像识别问题”，相比传统微流控芯片仿真设计速度，MEDA可以将速度提升51600倍，从而缩短微流控芯片设计时间，减少设计研发成本。此外，论文还提出了基于卷积神经网络（CNN）的技术来预测随机微流控混合器的流体行为。王骏超表示，随着微流控应用扩大，用户可以在家通过微型检测设备DIY检测唾液、汗液、尿液，而不用去医院自己获取身体健康信息，未来微流控芯片将得到广泛应用。相关论文信息：https://doi.org/10.1039/D0LC01158D