GEN：展望微流控晶元在生命科學領域的應用

來源：生物探索

微流控技術，也被稱作「晶元實驗室」（LOAC），在歐洲被稱為「微整合分析晶元」（micrototal analytical systems），它是微流控技術（Microfluidics）實現的主要平台，可以把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶元上，自動完成分析全過程。

從1990年Manz等人首次提出了微型全分析系統的概念，到2003年Forbes雜誌將微流控技術評為影響人類未來15件最重要的發明之一，微流控技術得到了飛速的發展，其中的微流控晶元技術作為當前分析科學的重要發展前沿，在生物、化學、醫藥等領域都發揮著巨大的作用，成為科學家手中流動的「 芯」。

圖片摘自科技創新中心

根據GEN的報道，近幾年來，基於微流控技術的技術報道和科學研究越來越多（下圖）。

微流控發展速度以生命科學發表論文計算（每年的複合增長率為5%）

（一）微流控晶元在核酸分析中的研究

微流控晶元技術顯示了強大的核酸研究功能，可將核酸提取、聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR）擴增、分子雜交、電泳分離和檢測單一或集成地轉移到微流控晶元上完成，因此，適合於其所涉及的各個應用領域，如臨床基因診斷，遺傳學分析和法醫鑒定等。

NO.1 PCR

採用微流控晶元技術用於PCR擴增及相關檢測可簡化操作步驟及顯著提高檢測效率。晶元PCR擴增主要形式包括連續流PCR晶元和靜態式PCR晶元，前者依靠生物樣品通過3個不同的溫度區域而實現擴增，後者基於靜態反應，通過反應池內溫度的周期性變化實現擴增。一種集成的靜態式PCR晶元可完成核酸擴增及短串聯重複序列(short tandem repeat，STR)檢測，用於法醫鑒定。Nagatani等利用連續流PCR晶元在20 min內完成了流感病毒RNA的擴增及實時檢測。Jiang等利用連續流PCR晶元實現對大氣中6種常見的病原微生物的捕獲、富集及高通基因快速檢測。微流控振蕩流PCR晶元具備連續流及靜態式PCR特點，在1 h左右擴增傷寒沙門菌DNA，反應試劑量只有常規PCR的25%。

NO.2 基因突變檢測

基因突變是指基因在結構上發生鹼基對組成或排列順序的改變，檢測方法包括單鏈構象多態性分析(single–strand conformation polymorphism，SSCP)，異源雙鏈分析法(heteroduplex analysis，HA)，等位基因特異性寡核苷酸分析法(allele specific oligonucleotide，ASO)等。

NO.3 基因分型檢測

基因分型是多基因複雜性狀疾病的遺傳易感性研究的重要技術手段之一，也是微流控晶元核酸研究的主要內容。微流控晶元毛細管電泳成功地檢測了華法林敏感基因型（CYP2C9*2, CYP2C9*3和VKORC1）並在90 min內實現了12個樣本的測試。微流控晶元結合重複序列PCR及高解析度熔解曲線技術（high resolution melting, HRM）在10 min左右實現了8個樣本的多個位點基因型的準確分析，顯示此技術在大規模人群基因分型和多態性研究中的重要應用前景。

NO.4 DNA測序

微流控晶元DNA測序以晶元電泳分離為基礎，將測序的過程集成在一塊晶元上，以達到高通量、集成化和微型化的目的。一款液滴微流控晶元用於對未知DNA序列進行測序，具有快速、高通量及低成本的特點。數字PCR晶元系統檢測人及細菌5 ng DNA，並構建新一代測序庫，與參考基因庫對比，準確率大於99%

微流控技術可應用的領域

（二）微流控晶元在蛋白質研究中的應用

蛋白質是生命的物質基礎，對蛋白質結構和功能分析可以了解機體在生理或病理條件下的變化機制。自20世紀90年代以來，微流控晶元技術作為蛋白質組學研究平台的優越性也日趨顯著。血脂分析對於臨床高脂血症的診斷及動脈粥樣硬化性心血管病的危險評估和防治具有重要意義。本課題組利用自製的微流控晶元結合激光誘導熒光系統實現了低密度脂蛋白（low–density lipoprotein，LDL）亞型的檢測，將血清小而密低密度脂蛋白（small, dense low–density lipoprotein，sdLDL）的檢測時間由傳統方法的十幾個小時縮短至幾分鐘內，並對其臨床應用價值進行了初步探討。

（三）微流控晶元在細胞研究中的應用

微流控晶元已成為新一代細胞研究極其重要的平台。晶元多種單元技術的靈活組合使集成化的細胞研究成為可能，如細胞培養、分選、裂解和分離檢測等過程都可在晶元上完成。

（四）微流控晶元在生命科學領域的應用展望

生物標誌物對疾病診斷、病情監測及療效觀察起著至關重要的作用。目前，雖有一部分生物標記物已用於臨床常規檢測，但其在待發現的生物標誌物中僅占很小的比例。在微流控晶元方面，樣品富集效率、多通道檢測、報告系統靈敏度等是影響其臨床應用的關鍵因素。

微流控晶元具有強大的商業潛力，作為一種革命性的技術平台，其市場前景顯然是極其巨大的。可以用於各個分析領域，如生物醫學、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗、環境監測、刑事科學、軍事科學和航天科學等其他重要應用領域。

最近幾年微流控晶元取得了突破性進展，引起產業界的極大關注。目前已湧現出一批關健性技術在很大程度上具有不可替代性，並逐漸形成以醫學和藥學為代表，覆蓋面很寬的應用領域，例如最近發展起來的器官晶元、液滴微流控晶元。未來來幾年內，如果將微流控晶元與「生物手機」、「互聯網+」進一步結合，這樣一個由一種新興技術引發的可能具有全局性影響的趨勢，是否能夠因此誕生一批「風口」行業值得大家期待。