微流控芯片在液體活檢中的應(yīng)用方案

引言

微流控芯片，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-chip），是一種在微米或納米尺度下處理或操縱液體的技術(shù)手段。它通過將化學(xué)和生物等領(lǐng)域中的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)、細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米甚至更小的芯片上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小體積流體的精確操控。微流控芯片技術(shù)在液體活檢中的應(yīng)用，以其高通量、高靈敏度、高特異性及低成本等優(yōu)勢(shì)，為疾病的早期診斷、療效評(píng)估、病情監(jiān)測(cè)及預(yù)后評(píng)估提供了新的可能性和手段。

微流控芯片技術(shù)概述

微流控芯片內(nèi)部通常由微流道、微閥門、微泵等微型流體控制組件構(gòu)成，通過利用微流道內(nèi)壁的表面張力和流道幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，控制流體流動(dòng)的速度和方向，實(shí)現(xiàn)液滴的生成、混合、分離、傳輸和檢測(cè)等操作。微流控芯片的作用主要體現(xiàn)在其能對(duì)微小體積的流體進(jìn)行精確操控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的高效、準(zhǔn)確處理和分析。

根據(jù)材料的不同，微流控芯片可以分為多種類型，包括硅基免疫微流控芯片、PDMS（聚二甲基硅氧烷）免疫微流控芯片和紙基免疫微流控芯片等。硅基免疫微流控芯片通過微機(jī)電加工技術(shù)在硅基材料上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，具有高靈敏度、高特異性和高通量的特點(diǎn)。PDMS免疫微流控芯片利用PDMS的優(yōu)良性能，如彈性好、易于加工、電絕緣性佳以及生物兼容性高等，為免疫分析提供了高效、準(zhǔn)確的平臺(tái)。紙基免疫微流控芯片則采用紙張作為基底，通過加工形成具有一定結(jié)構(gòu)的親/疏水微細(xì)通道網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)分析器件，具有成本低、加工簡(jiǎn)易、使用和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。

液體活檢技術(shù)簡(jiǎn)介

液體活檢是指通過檢測(cè)血液、尿液等液體中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）、循環(huán)腫瘤DNA（ctDNA）和外泌體等來評(píng)估腫瘤狀態(tài)和療效的方法。與傳統(tǒng)的組織活檢相比，液體活檢更能反映腫瘤整體、實(shí)時(shí)的信息，甚至是全身腫瘤的信息，因此在腫瘤輔助診斷、療效評(píng)估、病情監(jiān)測(cè)及預(yù)后評(píng)估等方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

液體活檢的三大領(lǐng)域CTC、外泌體和ctDNA，在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療的臨床應(yīng)用中各放異彩。CTC是從腫瘤組織脫落進(jìn)入外周血的各類腫瘤細(xì)胞的總稱，是液體活檢領(lǐng)域臨床研究熱度最高的生物標(biāo)志物。外泌體是一種由細(xì)胞分泌的，直徑一般為30-150nm的囊泡，攜帶有大量蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等源細(xì)胞的生物標(biāo)志物，在多種體液中均有分布。ctDNA則是從腫瘤組織中釋放到血液循環(huán)中的DNA片段，可以反映腫瘤的基因組信息。

微流控芯片在液體活檢中的應(yīng)用方案

1. CTC的檢測(cè)與分離

CTC作為液體活檢領(lǐng)域臨床研究熱度最高的生物標(biāo)志物，其檢測(cè)與分離對(duì)于腫瘤的早期診斷、療效評(píng)估及預(yù)后預(yù)測(cè)具有重要意義。傳統(tǒng)的CTC分離方法如密度梯度離心和免疫磁珠分離等，存在分離效率低、難以實(shí)現(xiàn)高通量分析等局限性。而微流控芯片技術(shù)則可以通過精準(zhǔn)的流體力學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)混合細(xì)胞流體的快速準(zhǔn)確分離，提高CTC的分離效率和檢測(cè)靈敏度。

一些研究團(tuán)隊(duì)將微流控芯片上萬個(gè)通道中的每一個(gè)通道的尺寸和形狀都設(shè)計(jì)為適合CTC大小和形狀的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CTC的高效分離和捕獲。例如，美晶醫(yī)療CellRichTM系統(tǒng)是基于微流體芯片的可融合正、負(fù)雙向分離方法結(jié)合免疫熒光原位雜交技術(shù)的檢測(cè)平臺(tái)，用于惡性腫瘤疾病管理的CTC檢測(cè)。該系統(tǒng)經(jīng)過中國(guó)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）批準(zhǔn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床，并在CTC的高效捕獲和多腫瘤標(biāo)志物、單細(xì)胞分析及細(xì)胞表達(dá)量等相關(guān)檢測(cè)方法上取得了顯著成果。

2. 外泌體的分離與分析

外泌體作為液體活檢的重要組成部分，其分離與分析對(duì)于揭示腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移機(jī)制具有重要意義。傳統(tǒng)的外泌體分離方法如超速離心具有耗時(shí)久、通量低及可能損傷外泌體完整性的局限性。而基于微流控芯片技術(shù)的外泌體分離方法，則可以在靈敏度、自動(dòng)化及檢測(cè)通量等多方面展露優(yōu)勢(shì)。

研究者He等人開發(fā)了一種微流控方法，將磁珠集成到芯片上，用于多種外泌體亞群的免疫磁微粒捕獲和外泌體靶向蛋白的熒光分析。該方法僅需30ul樣本，外泌體的捕獲效率高達(dá)99.9%，而且可以方便地制備透射電鏡表征樣品，為微量樣本的外泌體分離和分析提供了新的方式。另外，Vaidyanathan等人開發(fā)了一種通過引入電場(chǎng)來改善特定外泌體的免疫靶向捕獲的微流體裝置，該技術(shù)大大提高了外泌體的捕獲率。

美晶研發(fā)團(tuán)隊(duì)則利用生物芯片技術(shù)，結(jié)合微流體和過濾兩種方法，將由多孔硅納米線組成的纖毛微柱整合到微流控芯片上，形成微流控過濾系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過優(yōu)化微柱的幾何形狀、分布位置與密度，為外泌體提供充足的結(jié)合位點(diǎn)，且不影響微流體通道內(nèi)液體流動(dòng)，在10分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)外泌體的高效捕獲。然后通過溶解多孔硅納米線，釋放外泌體，實(shí)現(xiàn)完整外泌體的高純度回收。

3. ctDNA的提取與分析

ctDNA作為液體活檢的另一重要生物標(biāo)志物，其提取與分析對(duì)于腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療的臨床應(yīng)用具有重要意義。微流控芯片技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種免疫磁微粒復(fù)合物（如細(xì)胞、蛋白及核酸等）的特異性分離及捕獲，有望實(shí)現(xiàn)液體中外泌體和ctDNA的提取與分析。通過集成多種免疫分析和檢測(cè)功能，微流控芯片可以為ctDNA的提取和分析提供高效、準(zhǔn)確的平臺(tái)。

一些研究團(tuán)隊(duì)采用微流控芯片技術(shù)，結(jié)合免疫磁珠分離和PCR擴(kuò)增等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ctDNA的高效提取和靈敏檢測(cè)。例如，利用微流控芯片上的微通道網(wǎng)絡(luò)，可以精確控制樣本和試劑的流動(dòng)和混合，從而實(shí)現(xiàn)ctDNA的快速、準(zhǔn)確提取。然后，通過PCR擴(kuò)增等方法，對(duì)提取的ctDNA進(jìn)行進(jìn)一步的分析和檢測(cè)，為腫瘤的精準(zhǔn)醫(yī)療提供有力的支持。

主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)方案中的作用

在微流控芯片的設(shè)計(jì)方案中，主控芯片起著至關(guān)重要的作用。主控芯片負(fù)責(zé)控制微流控芯片上的微閥門、微泵等微型流體控制組件的開關(guān)和流速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流動(dòng)的精確控制。以下是一些常見的微流控芯片主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)方案中的作用：

1. FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）

FPGA是一種高度集成的可編程邏輯器件，可以通過編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理功能。在微流控芯片的設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)PGA可以作為主控芯片，通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)微閥門、微泵等微型流體控制組件的精確控制。FPGA具有高速度、高靈活性和高可靠性的特點(diǎn)，可以滿足微流控芯片對(duì)實(shí)時(shí)性和精確性的要求。

2. ARM Cortex-M系列

ARM Cortex-M系列是一種低功耗、高性能的嵌入式處理器，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。在微流控芯片的設(shè)計(jì)方案中，ARM Cortex-M系列可以作為主控芯片，通過運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片上微型流體控制組件的控制和監(jiān)測(cè)。ARM Cortex-M系列處理器具有豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足微流控芯片對(duì)復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)處理的需求。

3. DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）

DSP是一種專門用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，具有高速、高精度和低功耗的特點(diǎn)。在微流控芯片的設(shè)計(jì)方案中，DSP可以作為主控芯片，通過運(yùn)行數(shù)字信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片上流體流動(dòng)的精確控制和監(jiān)測(cè)。DSP的高速處理能力可以確保微流控芯片在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性方面達(dá)到最佳性能。

需要注意的是，以上主控芯片型號(hào)僅為示例，并非唯一選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)微流控芯片的具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的主控芯片型號(hào)，并綜合考慮其性能、功耗、成本等因素。

結(jié)論

微流控芯片技術(shù)在液體活檢中的應(yīng)用，以其高通量、高靈敏度、高特異性及低成本等優(yōu)勢(shì)，為疾病的早期診斷、療效評(píng)估、病情監(jiān)測(cè)及預(yù)后評(píng)估提供了新的可能性和手段。通過精準(zhǔn)控制流體流動(dòng)和微型流體控制組件的開關(guān)和流速，微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CTC、外泌體和ctDNA等生物標(biāo)志物的高效分離、提取和分析。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓寬，微流控芯片技術(shù)有望在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為疾病的預(yù)防、診斷和治療提供更多的可能性和手段。