微流控芯片技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用進(jìn)展

陳榕方，吳雁(通信作者)

天津市泰達(dá)醫(yī)院檢驗科 (天津 300457)

微流控芯片技術(shù)又被稱為芯片實驗室，該名稱的由來是因為微流控芯片技術(shù)的應(yīng)用使從處理樣品到結(jié)果輸出這一過程被充分簡化，并且被證實在藥品、食物以及臨床工作中發(fā)揮著較大的作用[1]。微流控芯片技術(shù)具有操作高效、自動化、集成化、低消耗等優(yōu)勢，并在捕獲循環(huán)腫瘤細(xì)胞、分離病毒病原體、檢測腫瘤標(biāo)志物等方面的應(yīng)用效果顯著[2]。結(jié)合目前的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，將微流控芯片技術(shù)作為一類商品大規(guī)模的引入到醫(yī)院工作中仍然存在著一定的問題，可能會出現(xiàn)準(zhǔn)確度及精確度無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的情況，使檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差[3]。本研究結(jié)合既往工作經(jīng)驗以及操作技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究及整理，重點就微流控芯片技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，分別從其概況、技術(shù)特點、應(yīng)用現(xiàn)狀等方向展開分析。

1 微流控芯片技術(shù)即時檢驗的概況

微流控芯片本身具有較高的檢測靈敏度，在近年來的臨床檢驗工作中被廣泛應(yīng)用，且已經(jīng)成為即時檢驗的理想載體，也被當(dāng)作是當(dāng)前階段公認(rèn)的即時檢驗的主要發(fā)展方向，尤其是在臨床檢驗及分析、DNA分析、蛋白質(zhì)學(xué)組分析以及綜合分析等方面的診斷工作中。即時檢驗是臨床醫(yī)學(xué)檢驗工作中的一種新型發(fā)展模式。美國國家臨床生化科學(xué)院將即時檢驗定義為一種在患者身邊由經(jīng)過未接受臨床實驗室學(xué)科訓(xùn)練的醫(yī)務(wù)工作者或患者所實施的臨床檢驗工作[4]。即時檢驗被認(rèn)為是一種除傳統(tǒng)實驗室檢測外的一切檢測，檢測結(jié)果可現(xiàn)場分析，同時可將報告作為一個能夠移動的微型檢測系統(tǒng)。在醫(yī)學(xué)診斷效率的提升以及診斷結(jié)果的改進(jìn)方面，即時檢驗在最初的研究中凸顯出了諸多的優(yōu)勢[5]。在較早的研究中已經(jīng)體現(xiàn)了其在血糖檢測以及艾滋病檢測領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并在其他疾病的檢測診斷方面也做出了巨大的貢獻(xiàn)。

另外，微流控芯片的即時檢驗裝置與中心實驗室相比也具有諸多優(yōu)勢，如尺寸規(guī)模較小、檢測靈活性較高、檢測設(shè)備不需要過多的投入試劑以及樣本使用量、操作方法簡單、檢測速度較快等。因此，微流控芯片在基層醫(yī)院以及發(fā)展中國家得到良好的應(yīng)用，比較易于被使用者接受與認(rèn)可。

2 微流控芯片技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

微流控芯片的即時檢驗技術(shù)能夠體現(xiàn)出微流控技術(shù)的絕大多數(shù)特性，且在生物工程、材料、化學(xué)等學(xué)科被廣泛應(yīng)用。微流控芯片即時檢驗在臨床免疫測定工作中的應(yīng)用集中體現(xiàn)在細(xì)菌病毒以及寄生蟲等的相關(guān)檢測工作中，同時也適用于分子診斷工作中寡核苷酸的測定；此外，微流控芯片的即時檢驗技術(shù)也適用于核酸提取、血液分析以及細(xì)胞分析等領(lǐng)域。在各個領(lǐng)域內(nèi)涉及到的相關(guān)研究不僅是一對一的，而且是一對多的，均能夠推動微流控芯片的即時檢驗技術(shù)的進(jìn)步及發(fā)展。

與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，DNA提取工作非常耗費(fèi)人力、物力及財力，且對操作過程有著嚴(yán)格的要求及限制，如接觸到有毒、有害的物質(zhì)或者試劑時會對檢查結(jié)果造成誤差。而微流控芯片技術(shù)可從生物樣品細(xì)胞中提取核苷酸并將其隔離，為基因分析帶來了革命性的改變，因此，被臨床作為檢測分析DNA的一個科學(xué)的方法。微流控芯片技術(shù)的操作方法可總結(jié)為3步：在離液鹽的環(huán)境下對DNA進(jìn)行吸附、將其溶于乙醇后再將雜質(zhì)清除及對含有緩沖液的DNA進(jìn)行洗脫。需注意的是，固相提取物需要依靠DNA及固相載體間的結(jié)合性能，在對溫度、PH值、緩沖液的敏感性進(jìn)行鑒別時，存在較高的敏感性，因此，在實際操作過程中容易出現(xiàn)DNA片段缺失。相比之下，除去DNA之外的其他細(xì)胞溶解物也容易對結(jié)合反應(yīng)的過程造成不良影響。在當(dāng)前階段，提取效率通?？杀３衷?0%～90%，故今后還需利用新型的技術(shù)進(jìn)行操作以彌補(bǔ)當(dāng)前工作中的不足。

微流控芯片技術(shù)開始在如刑事科學(xué)、環(huán)境檢測、生物醫(yī)學(xué)、新型藥品合成、食品和商品等各個領(lǐng)域被廣泛的解析及應(yīng)用，其中最為熱門的是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的分析。在當(dāng)前階段，微流控芯片技術(shù)的主要應(yīng)用范圍涵蓋了DNA測序、核酸分理與定量、基因突變以及表達(dá)差異分析等。另外，也存在采用微流控芯片技術(shù)篩查以及分析蛋白質(zhì)的相關(guān)報道。

3 微流控芯片技術(shù)的特點

與傳統(tǒng)的生物技術(shù)相比，微流控芯片技術(shù)在疾病檢測及診斷方面表現(xiàn)出質(zhì)的飛躍，其突出的特點表現(xiàn)在微型化、自動化以及高通量化[6]。微流控芯片技術(shù)的開發(fā)特點是將生物化學(xué)作為研究基礎(chǔ)，將微機(jī)電加工技術(shù)作為最基本的依托，將微管道網(wǎng)絡(luò)作為結(jié)構(gòu)特征，借助各個工作單元獨(dú)立執(zhí)行并完成單一反應(yīng)或者單元操作，同時能夠完成相對較為復(fù)雜的工作，由此保證各個芯片成為一個時刻呈現(xiàn)出動態(tài)的系統(tǒng)，并能夠?qū)⒎蛛x、化學(xué)反應(yīng)以及檢測等全部融入到芯片中，對其加以重復(fù)使用，最大程度地保證了該技術(shù)的適用范圍[7]。微流控芯片技術(shù)屬于一種通用性較強(qiáng)的DNA芯片，其操作特異性由聚合酶鏈反應(yīng)所控制，為此，也可將其作為檢測平臺，為操作者提供菜單式的服務(wù)及可選擇的具體臨床信息，這也為其未來的發(fā)展方向奠定了基礎(chǔ)[8]。

4 微流控芯片技術(shù)的醫(yī)學(xué)檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)

微流控芯片技術(shù)在與聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)結(jié)合后可在短時間內(nèi)快速地完成擴(kuò)增工作，一方面可縮小反應(yīng)體系，提高檢測靈敏度，另一方面可縮短反應(yīng)時間，易于攜帶，被認(rèn)為是當(dāng)前醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域工作中重要的新型技術(shù)。曾有研究報道就微流控芯片技術(shù)結(jié)合聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了分析，研發(fā)出了相對靈活的交替拉推式主動數(shù)字化微流控芯片技術(shù)，以此保證微空的聚合酶鏈反應(yīng)樣品數(shù)字化率可最大程度的接近100%[9]。該技術(shù)的操作原理在于通過利用氣動閥門，以周期性的動態(tài)化表現(xiàn)對芯片內(nèi)的氣壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，由此最大程度地促進(jìn)真空驅(qū)動溶解液分割在微孔中的過程，從而實現(xiàn)小體積溶液的數(shù)字化，降低體積的變化。當(dāng)前微流控PCR芯片的研發(fā)及應(yīng)用更加趨于結(jié)構(gòu)的簡單化、功能的集成化以及一次性的發(fā)展方向，在其基礎(chǔ)上能夠完成完整的生物樣本分離分析的裝置，這在我國當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中亦得到了相對廣泛的應(yīng)用。

4.2 病原體檢測

基于微流控芯片技術(shù)的病原體檢測在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出了較高的準(zhǔn)確性及靈敏度，所需檢測的時間也相對較短。曾有研究[10]針對微流控芯片技術(shù)在下一代病原微生物診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)微流控系統(tǒng)可構(gòu)成無細(xì)胞診斷工具，且在應(yīng)用期間能夠與其他應(yīng)用技術(shù)相互結(jié)合，進(jìn)而完成一系列的跟蹤及檢測病原體等工作，這也為病原體臨床檢測工作提供了可靠依據(jù)。微流控芯片技術(shù)在病原體檢測方法主要分為細(xì)菌檢測以及病毒檢測兩個部分。

4.2.1細(xì)菌檢測

目前，微流控芯片技術(shù)在食源性致病菌的檢測工作中被廣泛應(yīng)用，且該技術(shù)對食源性致病菌具有較高的敏感性。有研究曾將微流控芯片技術(shù)用于檢測沙門氏菌、霍亂孤菌、志賀氏菌以及副溶血性孤菌等食品中較為常見的致病菌，結(jié)果顯示，檢測靈敏性及特異性均較高，且檢測操作時間較短，操作成本較低[11]。也有報道將微流控芯片技術(shù)用于檢測引起急性腹瀉的病原菌，同樣獲得了較好的效果[12]。此外，微流控芯片技術(shù)用于細(xì)菌耐藥性的檢測工作中也發(fā)揮了較強(qiáng)的效果，不僅可對單細(xì)胞乃至單細(xì)胞器的水平對數(shù)百個細(xì)胞的耐藥性進(jìn)行分析，也可對單細(xì)胞的耐藥情況實施監(jiān)控作用[13]。

4.2.2病毒檢測

微流控芯片技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在病毒檢測工作中，結(jié)合既往研究經(jīng)驗可見，微流控芯片技術(shù)用于乙型肝炎病毒的檢測中的效果顯著，具有較高的特異性及靈敏度[14]。與傳統(tǒng)檢測方法相比，微流控芯片技術(shù)具有小型化以及簡便化的作用，可提高檢測工作的效率，在病原體覆蓋度上具有較大的優(yōu)勢。

4.3 組織工程檢測

微流控芯片技術(shù)與材料科學(xué)的不斷發(fā)展及應(yīng)用推動了體外細(xì)胞組織器官的構(gòu)建，這在一定程度上促進(jìn)了高效診斷及檢測技術(shù)的進(jìn)步。有研究報道了電活性示蹤跡取代傳統(tǒng)營養(yǎng)示蹤劑的新型微流控芯片滲透率的示范方法，其中電化學(xué)滲透并不需要借助人工取樣以及比較復(fù)雜的光學(xué)儀器[15]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的電活性示蹤劑還可被分為3種不同的形態(tài)，包括惰性的、高效的及穩(wěn)態(tài)的，且這些不同狀態(tài)下的示蹤劑的應(yīng)用可對內(nèi)皮細(xì)胞的滲透性進(jìn)行測量[16]。電化學(xué)滲透率測定方法的應(yīng)用充分結(jié)合了示蹤劑滲透率的便捷性與芯片集成的高效性，因此發(fā)展前景更為廣泛。微流控芯片技術(shù)的應(yīng)用還可用于對滋養(yǎng)細(xì)胞的超快速的富集操作。曾有臨床資料就此展開分析[8，17]，即對新型慣性微流控芯片技術(shù)在孕婦全部血樣本中的應(yīng)用進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠快速地在單細(xì)胞的水平下對未進(jìn)行標(biāo)記的富集循環(huán)細(xì)胞進(jìn)行分離，并將其用于基因型的鑒定，完成下游免疫熒光染色以及基因分型的分析。此外，此類技術(shù)本身操作相對簡單，無需抗體，因此成本較低，易被推廣。

4.4 血液分析

目前，微流控芯片技術(shù)所進(jìn)行的血液分析已被應(yīng)用于各類疾病的診斷工作中，包括生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等。該技術(shù)適用于各類只用少量的液體即刻完成相應(yīng)的操作，如癌細(xì)胞以及重度貧血患者中。有學(xué)者借助微流控芯片技術(shù)研發(fā)了新型人工胎盤型微流控血氧合器，該設(shè)備可完成一系列的高氣體交換、低注入量等相關(guān)操作，且在應(yīng)用期間僅僅依賴較低的壓力差即可完成，屬于一種新型的模仿胎盤制作而成的設(shè)備[17]。該設(shè)備不僅避免了氣體交換功能的丟失，而且其突出的折疊能力實現(xiàn)了相對較為緊湊的外形，有助于實現(xiàn)高吸氧的效果，也可在一定程度上促使早產(chǎn)兒出生體質(zhì)量達(dá)到最低的標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 腫瘤外泌體檢測

腫瘤來源的外泌體通常在腫瘤微環(huán)境胞間通訊中發(fā)揮重要的作用，且優(yōu)勢突出。在一般情況下，腫瘤外泌體在體液中的含量相對較為穩(wěn)定，并能夠較快且靈活地分析并反映當(dāng)前腫瘤所處的實際狀態(tài)，也被認(rèn)為是液體檢測技術(shù)中具有較高潛力的腫瘤標(biāo)志物[18]。目前，外泌體相關(guān)研究中所面臨的一個最大困難在于如何將其從比較復(fù)雜的生物樣品中加以分離。既往臨床工作中所采取的超速離心法被認(rèn)為是對外泌體濃縮的最經(jīng)典方法之一。但該方法操作步驟復(fù)雜，且相關(guān)儀器設(shè)備費(fèi)用較高，回收率也相對較低，臨床應(yīng)用欠佳[19]。而在微流控芯片技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行腫瘤外泌體檢測操作簡單，可通過微流控腫瘤切片模型來研究代謝饑餓梯度下的細(xì)胞行為，由此實現(xiàn)對實體腫瘤細(xì)胞代謝異常的早期診斷，這為后續(xù)腫瘤疾病的治療提供了更多的選擇[20]。

5 小結(jié)

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多先進(jìn)的技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前，臨床工作中有諸多實際案例證實了微流控芯片技術(shù)在醫(yī)學(xué)尤其是臨床檢驗科工作中的應(yīng)用效果[21-22]。微流控芯片技術(shù)不僅可用于PCT檢測，也可完成現(xiàn)場的檢測及診斷工作，為后續(xù)的治療奠定基礎(chǔ)，還可用于單細(xì)胞的測序以及微量化學(xué)反應(yīng)等工作，在臨床醫(yī)學(xué)檢測工作中具有重要地位，在接下來的研究中可進(jìn)一步地研究并拓展其應(yīng)用范圍。