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微流控芯片技術優(yōu)勢跟原理介紹
2021-01-18
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(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的相關情況.在本文之前,小編已經(jīng)陸續(xù)整理了一些相關文章,包括對分子診斷技術概況的介紹、NGS技術在病原微生物檢測中的應用、數(shù)字PCR技術的優(yōu)勢及應用、基因檢測的廣泛用途等文章,可供讀者全面了解相關領域的知識.
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(wǎng)絡為結(jié)構(gòu)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.
生命分析技術不斷發(fā)展,在新的時代背景,又面臨新挑戰(zhàn)和發(fā)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(zhì)定性、定量、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析等工作.而微流控技術的出現(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(xiàn)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(guī)操作.
· 污染少:芯片集成功能避免了人工操作的污染.
微流體芯片技術的應用
微流控技術問世至今有近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".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(zhuǎn)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(fā)的高通量微流體芯片,發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移性乳腺癌細胞的重要特性之一 — 吞噬間充質(zhì)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(fā)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(zhuǎn)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(xiàn)對不同細胞的分離.以循環(huán)腫瘤細胞(CTCs)為例,該細胞主要來自腫瘤組織自發(fā)脫落的外周血液中,其對惡性腫瘤傳播轉(zhuǎn)移具有重要影響,已逐漸被認為是腫瘤遠處轉(zhuǎn)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(fā)轉(zhuǎn)移監(jiān)控,還可以為后續(xù)的CTCs鑒定和下游單細胞基因組和轉(zhuǎn)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(yī)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(xiàn)對微量CTCs的高通量、高效率以及低成本分選富集,該技術發(fā)展迅速并已被廣泛研究應用.新開發(fā)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(xiàn)高效的細胞富集回收.
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(jīng)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(yǎng)腔微陣列,改變細胞常規(guī)培養(yǎng)方法,實現(xiàn)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(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(yǎng)、藥物效果檢測等多個步驟集成于一張芯片,實現(xiàn)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(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)在體外對其進行重建,用以研究特定環(huán)境下器官的生理機能和構(gòu)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(guī)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(jīng)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jīng)疾病研究的發(fā)展.近年來,利用微流控芯片技術已經(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,進而讓我們對神經(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(jīng)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(fā)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(fā)展迅速,為醫(yī)學研究與臨床轉(zhuǎn)化作出巨大的貢獻.
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