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微流控芯片與檢測儀器創新與實際的應用
2021-01-18
微流控芯片技術是生物醫學領域的重要前沿方向,具有高通量、多靶點、快速、精準、操作簡便等特點,可廣泛應用于分子生物學、醫藥、免疫等領域.近日,復旦大學孔繼烈教授就微流控技術以及其團隊在微流控技術產業化方面的進展做了詳細報告.
科學儀器的源頭是分析化學專業,但其更多的應用在生物醫藥以及診療等領域.近年來,"精準醫學"概念的出現,更是急切呼喚創新分析測量技術與儀器."精準醫學"的最核心的部分是"精準的診斷",這也是新藥研發及提出新興治療方案的前提.作為生物醫療領域的前端,像現在非常熱門的靶向診療(診療一體化),要求首先在診斷層面明確知道是什么原因導致疾病的發生.無論是常見病癥還是癌癥,都需要微流控這樣的技術出現.
從宏觀的層面來講,無論是蛋白質水平相關儀器,還是核酸水平相關儀器,國產醫療器械市場占有率還很低.上海三甲醫院,很多都在使用羅氏、雅培、西門子的設備.即便在生化水平,即小分子的診斷設備,國內雖有很多公司在做,但是與世界上先進設備相比,仍有很大的差距.
從學科角度來講,微流控技術衍生于分析化學,而無論從學科知識的構成,還是人才培養,都是多種相關學科交叉的結果.儀器的產業化是一個系統工程,要集聚非常多的交叉學科的人才,單純依靠分析化學或者微流控技術,都不能完成一臺整體的集成化設備的制造.因為這還涉及到軟、硬件支持,材料學,多種加工工藝,以及越來越多的新技術(如3D打印等技術).此外,還要有生物醫學、創新診斷方法學等多方面的共同結合.
作為高校,要集聚這么多人才進行同一個項目,非常困難.因此,國家也在鼓勵創業平臺,將不同領域的專業人才聚集起來,共同進行儀器的研發生產.目前,孔繼烈教授與他之前指導畢業的博士們正在做這件事.
目前,微流控技術,尤其是微流控領域的產業化還有很多問題,主要包括以下幾個方面:
1、進口多,國產少.
首先涉及到的很多器件,如光學器件、光電轉換器件等,大部分性能很好的器件多來自美國、日本等國家.因此不單是整機的技術缺乏,上游的零部件技術也很缺乏.從整體來講,現狀是蛋白質、核酸檢測的二類醫療器械,無論是化學發光還是電化學發光設備,大部分是羅氏、梅里埃等公司的.
2、上游多,下游少
"上游多,下游少"是指在研究過程中,大部分研究者做的是上游方法學的研究,雖然很前沿,反映了這個學科發展最新的聚焦點,但是往下延伸的比較少.很多微流控方向的研究生,發了很多SCI文章,之后就不了了之了.
3、前端多,后端少
研究人員可以做方法,做技術,甚至可以搭一個裝置,但是沒有辦法定型,也沒有辦法做質控的標準.比如從計量的角度,這個產品怎么檢驗?怎么能達標?企業標準,行業標準,甚至國家標準,這些標準全面缺乏.當然這不是一家單位就能做的,需要行業內多家單位協同完成.
4、器件多,集成少
早些時候,很多實驗室可以自行搭一臺裝置.例如最早在實驗室做微流控,用數字化的光譜儀、光纖和光電檢測器件組裝而成.但是,這不是一臺完整的儀器,因為無法在同一個軟件中發送指令進行信號提取、信號處理和出具結果等等,這和儀器是有距離的.
離心式微流控芯片核酸檢測儀(原型機)是孔繼烈教授團隊研制的第一代微流控設備,包括芯片系統、溫度控制系統、高速旋轉系統、光電檢測系統等模塊.研發目標是實現核酸的提取和擴增放在同一個芯片中完成,這在第一代原型機還無法實現.
2017年,孔教授團隊開始第二代產品開發,在光路、電路、信號放大、離心盤的可控性等方面進行了優化,可實現在同一個檢測平臺上做多種需求的靶點數、樣本數的檢測,如8個靶點4個通道或4個靶點8個通道或2個靶點16個通道的盤.
第二代設備叫做核酸檢測一體機,孔教授團隊正在將一體機做成三類醫療器械——將來可以和醫院檢驗科對接的設備,在30分鐘內完成樣本前處理,包括細胞的破碎,DNA的釋放,原位擴增及檢測.對于傳統PCR 檢測是革命性的突破.
從方法學的角度來講,該設備融合了很多基礎研究的成果,包括蛋白質、DNA的納米分子診斷技術、微流控驅動技術、集成技術、區域精準控溫技術、高敏熒光檢測技術、微流控盤快/慢速切換技術,可實現多模塊集成工作.
該設備的應用方向十分廣泛,包括公共衛生、食品安全、檢驗檢疫、以及基于微流控的免疫抗原抗體反應等等.已開發的典型的應用案例如下:
1、8種不同種屬肉的同時溯源,特異性和靈敏度非常高.
2、非洲豬瘟特異性檢測,可做到高通量現場快速篩查,靈敏度達到10個拷貝.
3、轉基因大豆檢測,可以很快完成多種轉基因亞型的溯源.
4、降鈣素原(PCT)微流控免疫檢測,是針對臨床感染的蛋白質指標的新型檢測方式,目前檢測靈敏度顯著高于傳統同類儀器.
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