微流控技术平台在IVD中的运用

一、微流控平台的定义和特点微流控是一项融合了微电子学、材料科学、生物科学、制药以及临床医学等众多领域的综合性技术，需要跨领域跨学科的深入交流和合作。什么是微流控芯片?微型+集成+自动化。微流控芯片顺应分析仪器的发展趋势(微型化/集成化与便携化),很大程度缩短样本处理时间,并通过精密控制液体流动,实现试剂耗材的最大利用效率,把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上,且可以多次使用。微流控芯片的发展正呈现三个基本特征：1）平台研究多学科交叉，2）应用研究多领域渗透，3）产业迅速崛起将成为新一代即时诊断（POCT）的主流技术；微流控反应筛选芯片在高通量药物筛选、材料合成、模拟和单细胞测序等领域显示了巨大潜力；而微流控细胞/器官芯片则有望应用于药物毒理和药理作用研究，部分替代医药研究试验动物，是细胞及微环境操控最重要的技术平台。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。微流控芯片内部集成的单元部件越来越多，且集成的规模也归来越大，使着微流控芯片有着强大的集成性。同时可以大量平行处理样品，具有高通量的特点，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积甚至在纳升级或皮升级。原则上，微流控芯片作为一种“微全分析技术平台可以应用于各个分析领域，如生化医疗诊断、食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等重要应用领域，其中生物医学分析是热点。目前来看，体外诊断是微流控技术的最大的应用场景，而在体外诊断中，微流控技术应用的重点在于化学发光（免疫诊断）和分子诊断中。二、微流控的研究及产业化微流控的理论研究兴起于20多年前，目前，理论研究准备已经非常成熟，在此，不再赘述。下面我们主要看看产业化之路对比国内外商业化的微流控产品,国外在生化免疫、分子领域均有相对成熟的产品,其中不乏重磅级代表品种(雅培的i-STAT、Illumina的测序仪系列等);国内微流控产品的商业化相对落后,最早上市的微点生物mlabs系列等。在产业化中，微流控一般分为以下几大类型：气压推动式微流控，离心力推动式微流控，液滴微流控，数字化微流控，纸质微流控等。气压推动式微流控主要利用气压来推动流体在芯片中的运动，在微流控产业化中出现的最多，像生物梅里埃的filmarray,罗氏诊断的cobasLiatPCRSystem，AtlasGenetics的io，博晖创新的HPV分子诊断全自动分析仪，华迈兴微的M2微型化学发光分析系统等等都是。离心微流控是利用离心力来实现微流控芯片中的芯片的推动，在微流控产业中也占据着重要地位，比如美国爱贝斯（Abaxis）PiccoloXpress™即时生化检测仪，天津微纳芯科技的pointcareM，杭州霆科生物的微流控芯片农残速测仪等等。数字化微流控和液滴微流控都是在微流控芯片中对液滴的操控，但是数字化微流控特指是电浸润发控制液滴的运动，这里面运用最大的场景都是在于digitalPCR，最典型的的莫过于伯乐的QX200。纸质微流控，顾名思义，指基于纸质芯片的微流控的操控，一般是通过改变纸基上的亲水性来形成液流通道和阀门。当前的微流控产品多数结构较为简单，大多依靠毛细作用力或离心力，或者是利用体积较大的气泵实现液体的驱动。虽然仍处在应用的初级阶段，但是微流控已经显示了巨大的科研价值和市场效益。下一步微流控芯片将集成更多主动器件，如微泵、微阀、微喷头，真正进行液体的精准操控，实现智能化的微流控芯片。三、微流控对传统医学检测竞争微流控平台有着及其广泛的运用领域，按照传统检验来分，微流控平台可实现生化分析，免疫检测（化学发光），分子诊断，微生物培养（直接检测，绝对定量），器官培养等等。我个人认为，在短期内，微流控平台在免疫检测和分子诊断中的运用会更加的广泛，同时，这两个领域的传统平台将会遭遇微流控的挑战。在化学发光领域，华迈兴微的基于微流控的M2微型化学发光分析系统就很引人注目。相比较于普遍的几十千克的大型机械手臂式的化学发光仪而言，该产品只有5千克重，而且从加样后到全自动的打印报告，只要15分钟，充分的体现了微流控的技术优势。该产品主要面向基层医疗机构，针对其规模小，人员少，检验量低，无法配置大型分析仪的特点，用便携式微流控分析仪来填补基层检测的空白（大型医院可能还是以高通量全自动化的分析设备为主，而基层医院或者样本量不足以支撑大型设备的地方，基于微流控技术的免疫检测将成为主要战场。这将是一个有机的互补。）。未来随着POCT设备在基层、甚至家庭的普及化，并与现有的移动医疗云平台结合，真正推动移动医疗模式的兴起。在分子诊断领域，微流控芯片样品体积只需几微升，加热器直接集成在芯片上，与传统的PCR相比，在相同扩增效率下，芯片的热循环效率快2-10倍。同时连续流动式PCR、热对流驱动PCR等技术的使用，使得扩增过程加快，现有的微流控芯片能够将诊断检测过程缩短至最低10-15分钟。现在全自动的分子诊断，做的比较好的有赛沛（Cepheid）的GeneXpertPCR分析仪，BioFire的filmArray，IQuum的cobasLiatPCRSystem以及AtlasGenetics的io。国内的博晖创新，利德曼等也都有自己的基于微流控的全集成的分子诊断的产品了。相对于传统的PCR检测，其对场地和人员的要求都十分苛刻。而基于微流控技术的分子诊断平台，将对场地和人员的要求降到最低，突破了分子诊断的限制和瓶颈。总之，微流控平台可以在生化、免疫检测中分得一杯羹，也对目前运用最广泛的免疫层析市场形成冲击。而在分子诊断领域，我认为，微流控平台基本有着绝对的技术优势，如果加上通量（比如HPV/HBV的检测）和成本考虑，至少在高风险项目，资源相对贫乏的地区，微流控对传统PCR检测还是有压倒性优势。四、微流控平台的优缺点（现阶段）及这些特点决定的应用范围1）微流控vs侧向层析：技术领先，成本较高微流控芯片在均一性，重复性，准确度方面优于侧向膜层析技术；但由于目前芯片大规模制作工艺的不成熟，导致成本较高。因而，只能在高附加值项目上，利用检测的技术优势，对侧向层析试剂条进行替代。当技术成熟之后，随着制作成本的的下降，其必将全面取代层析试纸条（但是像FOB这类的产品，由于其收费极低，因而试纸条将长期存在）。2）微流控vs传统分子诊断（PCR平台）：技术领先，通量不够传统分子诊断对实验室和人员的要求比较高，这也是限制其推广的重要原因之一。微流控芯片在检测的灵敏度、重复性、特异性上与传统方法无异，而在检测的时间和操作的简易度、对实验室要求等方面有着优势。通量方面，目前集成式PCR平台优势较大，但就分子诊断的目前市场看，只有为数不多的项目，对通量要求苛刻。所以在资源有限地区，基于微流控芯片的分子诊断（分子POCT）有着非常大的优势。此外，一些特殊区域或场合，分子POCT的优势更加明显，如疫区，战地等。（需要说明的是，二代测序的文库建立和PCR检测，也是微流控范畴，如果将二代测序纳入微流控平台，其对普通一代测序平台，唯一的劣势就是现阶段的价格了）对于微流控芯片这个平台，总结成一句话：技术先进、特点鲜明、优势明显、应用范围广泛；现阶段加工工艺不成熟，成本高；未来会成为生物检测的主流。对于周博士的开发计划，我认真研读，能都感受到周博士对微流控纸芯片技术的热情。我只是通过不多的文献了解了下这个技术，在周博士面前，完全是个小学生，对于技术平台不敢评价。对于微流控POCT的方向，我在上一封邮件中也提出了我的态度（是未来的方向，现阶段产业化水平还不高），我是完全支持宝创去研发这个平台的。周博士的开发书意义重大，我想特别指出的是以下两点：1.利用纸芯片平台建立一支微流控POCT研发团队，尽早的投入到这个领域，了解技术发展方向及产业化方向，对宝创未来参与到这个平台的竞争，意义重大。2.纸芯片技术有一定的技术积累，确实是目前我们最好的着手点来进入这个领域。而目前国内市场中尚无同类产品，可以在差异化竞争中取得优势。因为我的知识背景的局限性，尚不能完全理解周博士的计划书，所以有一些疑问如下：1.纸芯片制作过程中使用的喷墨打印技术，其制作的精度和重复性如何？微流控未来的取代对象之一就是目前的侧向层析试纸条，而层析试纸条的致命弱点就是CV值控制不好。我们的未来平台一定要在这方面完胜才能取而代之。2.纸芯片的通用性如何？我的理解，未来微流控平台至少会运用到生化，免疫和分子诊断等平台上，免疫生化的平台，对温度要求不高，应该没有问题。但是分子平台涉及升降温，蜡的耐受力是不是会受到影响。（当然，如果未来使用等温扩增，可以解决此问题）3.纸芯片在免疫检测上实现的工艺问题：基于双抗体夹心法的免疫检测，标记和捕获抗体分别固定在不同材质的基质上（通常我们说的结合垫是玻纤，而层析膜为NC膜），在纸芯片上是否可以实现同一材质机制，如果不可以的话，两种材质在生产工艺上如何实现？4.关于项目：CRP和hs-CRP,以次项目作为免疫检测的实现平台，有众多优势，比如说原料成熟且价格不高，有成功先例。作为产品，有一个重要的考量就是成本。目前这类产品成本已经很低，我们的微流控平台也要把低成本实现作为目标。如果成本实在无法做到更低，可以考虑其他高附加值项目，比如说hs-cTnI。精子活力项目，因为开发计划中写的很简略，所以不知道周博士到底把哪几个指标纳入，操作的流程如何？仅仅考虑这个项目的话，我觉得还是很有前景的。关于肝功能检测，应该是在纸芯片上最为容易实现的，这个项目也可是作为纸芯片在生化检测项目上的应用的代表，最大的顾虑还是性价比。对于南京周老师分享的文章的思考：1）这篇文章是一个目前各领域某一主流方法学的集成：如血液分离，微流控样本处理，等温扩增，血液直扩和数字PCR判读等。在学术上，有很高的综合性和先进性。2）文章涉及的单一技术，在实验室都可以实验（也确实已经实现）。做科研可以，因为科研是个概念验证，说白了就是在理想状态下，证明方法学的可行性。做产品不一样，因为一来，我们不能选择样本（我们的产品必须对样本有很大的包容性，比如说高脂血），二来对检测结果的可重复性的要求，这就要求我们的检测试剂和设备，能够有稳定的工艺实现批量化生产。文献中的芯片制备，现阶段确实很难实现。3）实现成本：虽然这是个分子检测的平台，但是改成免疫检测的可行性还是非常大的。不管是分子还是免疫检测，其芯片的成本都不会低（目前的技术状态），实际上应该是非常的高4）这篇文章从一个侧面反应了微流控平台的特点：集材料学，微加工技术，化学，生物学于一体。有一定技术壁垒，但若整合资源，率先实现，也将是个高回报的方向。我们要有针对性的加强这个方向上的团队建设。5）对于资源的整合，我们需要放开眼界，不但是身边的人，行业内的人，相关上下游企业，都要进行长期的关注和了解，把最佳资源拉到一起，才有可能实现突破。6）微流控平台是个远期项目，时间和财力成本要有充分准备。（有时候，甚至不得不去等到某一工艺的成熟，比如说批量快速的芯片激光刻蚀技术）