微流控技術(shù)在臨床檢驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)展*

李 恒 ，史燁萍 ，周思達(dá) ，李警予 ，馮 宇 ，李 含 ，宋夢(mèng)慈 ，賀志安

（1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

微流控技術(shù)的概念被提出已有30 余年，以“微型全分析系統(tǒng)”（μ-TAS）和“芯片實(shí)驗(yàn)室”（LOC）為主要形式[1]。隨著微流控技術(shù)的日臻成熟，逐步從前期技術(shù)攻關(guān)進(jìn)入到產(chǎn)品商業(yè)化研發(fā)階段，具有消耗試劑少、檢測(cè)速度快、易于集成等優(yōu)勢(shì)，為其在臨床檢驗(yàn)領(lǐng)域提供了巨大的發(fā)展機(jī)遇[2]。

1 微流控技術(shù)的簡介

1.1 概念及技術(shù)特點(diǎn)

微流控技術(shù)指的是在微米尺度下對(duì)微小量級(jí)的流體進(jìn)行精準(zhǔn)操控的一種技術(shù)[3]。芯片是實(shí)現(xiàn)流體操控的載體，研究開發(fā)微流控芯片是目前主要的研究內(nèi)容[4]，其由微米級(jí)流體的管道、反應(yīng)器等元件構(gòu)成，采用微機(jī)電加工系統(tǒng)制作，最大限度地利用了微尺度下流體具備的特性：層流效應(yīng)、毛細(xì)效應(yīng)、快速熱傳導(dǎo)效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)等特殊性能，實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)流程在一塊芯片上自動(dòng)完成[5]，具有低消耗、高效率、自動(dòng)化、集成化、便攜化等優(yōu)勢(shì)[6-7]。

1.2 在臨床檢驗(yàn)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

隨著微流控技術(shù)的發(fā)展及在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用，即時(shí)檢驗(yàn)（POCT）受到了廣泛關(guān)注和長足的發(fā)展[8]。它指的是在實(shí)驗(yàn)室之外，任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可實(shí)現(xiàn)快速診斷的一個(gè)微型化檢驗(yàn)系統(tǒng)，而微流控芯片是實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢驗(yàn)的有利技術(shù)平臺(tái)[9]。

以微流控技術(shù)為基礎(chǔ)的即時(shí)檢驗(yàn)，是對(duì)傳統(tǒng)檢驗(yàn)的一個(gè)有利補(bǔ)充。這體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）擴(kuò)大使用范圍：傳統(tǒng)檢驗(yàn)檢測(cè)的及時(shí)性較差，應(yīng)用范圍受到一定限制。而微流控芯片通過簡化操作步驟、集成檢測(cè)裝置，可以由非專業(yè)人員完成操作，可以普及到門急診、床旁檢測(cè)、基層小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)，甚至可以由患者居家自測(cè)。受眾更加廣泛，臨床適應(yīng)性更強(qiáng)。（2）試劑耗材成本降低：微流控芯片是對(duì)微流體進(jìn)行操作，因此所需的試劑和樣品極少，有利于控制綜合成本。（3）提高檢測(cè)效率：微流控技術(shù)將多種操作單元靈活集成于一張芯片，在短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè)，顯著的提升檢測(cè)效率[10]。

微流控芯片高效化、小型化的特點(diǎn)符合即時(shí)檢驗(yàn)的需要[11]。目前微流控技術(shù)已經(jīng)在臨床檢測(cè)的多個(gè)領(lǐng)域如生物化學(xué)檢測(cè)、免疫檢測(cè)、病原微生物檢測(cè)等獲得具體應(yīng)用。

2 微流控技術(shù)在臨床檢驗(yàn)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 在生物化學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用

臨床生化檢驗(yàn)主要是通過對(duì)血液、尿液等體液標(biāo)本中各種化學(xué)成分含量的檢測(cè)，得到血糖、肝功、腎功等生化指標(biāo)的結(jié)果[12]。臨床上主要依托全自動(dòng)生化分析儀等大型檢測(cè)設(shè)備，因其具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，所以受到廣泛應(yīng)用，但由于儀器設(shè)備費(fèi)用高、樣本和試劑消耗大，對(duì)檢驗(yàn)環(huán)境要求苛刻等原因，限制其在醫(yī)療匱乏地區(qū)以及基層小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)的應(yīng)用[13]，因此實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的集成化和微型化是未來技術(shù)研究的關(guān)鍵。

血葡萄糖濃度的檢測(cè)：

患有糖尿病的人數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，糖尿病的診斷以血糖作為標(biāo)準(zhǔn)，如果患者具有明顯多飲、多尿、多食和消瘦的癥狀，只要一次異常血糖值即可確診[14]。若高血糖不給予控制，將會(huì)造成各種器官的慢性損傷，甚至功能障礙。因此，早診斷、早治療、持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖水平對(duì)于患者尤為重要。

便攜式血糖儀是結(jié)合微流控技術(shù)的一種新型體外診斷儀器，能夠在采樣現(xiàn)場即時(shí)檢測(cè)，一方面提高檢測(cè)效率，能夠隨時(shí)隨地獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)，另一方面也方便了高血糖患者的自我檢測(cè)。血糖儀對(duì)全血血糖檢測(cè)的性能指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足臨床的需求。血糖儀以操作簡單、節(jié)約時(shí)間、便于攜帶等優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了全自動(dòng)生化分析儀的不足，受到廣泛應(yīng)用[15]。

2.2 在免疫檢測(cè)中的應(yīng)用

目前國內(nèi)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床免疫學(xué)檢驗(yàn)多使用半自動(dòng)檢測(cè)儀器，存在著手工操作復(fù)雜、低效等缺點(diǎn)；大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用的全自動(dòng)免疫分析儀器又多使用封閉系統(tǒng)，儀器設(shè)備和試劑耗材成本極高，這些都限制了臨床免疫學(xué)檢驗(yàn)的發(fā)展。而微流控技術(shù)在使用方法上打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的束縛，兼具操作快速便利和定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)微流控技術(shù)與免疫分析方法相結(jié)合時(shí)，能夠產(chǎn)生許多較為便捷的免疫檢驗(yàn)技術(shù)，對(duì)于疾病的檢測(cè)有著重要意義。

2.2.1 癌胚抗原檢測(cè)

癌胚抗原（CEA）是一種具有人類胚胎抗原性的蛋白[16]，在臨床實(shí)驗(yàn)室，CEA 被認(rèn)定為是一項(xiàng)廣譜的腫瘤標(biāo)志物[17]，對(duì)腫瘤進(jìn)行相關(guān)的疾病診斷及預(yù)后判斷具有參考意義。梁臻龍等[18]建立一種結(jié)合微流控芯片和酶促化學(xué)發(fā)光免疫技術(shù)的CEA 檢測(cè)平臺(tái)，基本原理是采用化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)將鼠抗人CEA 包被于直徑1mm 的二氧化硅微球表面，用雙抗體夾心法在毛細(xì)玻璃管中檢測(cè)CEA。該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件、反應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化，特異性、精密度、功能靈敏度等都達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果與電化學(xué)發(fā)光酶免疫結(jié)果成正相關(guān)，適用于醫(yī)療資源匱乏地區(qū)。

2.2.2 炎癥標(biāo)志物的檢測(cè)

C 反應(yīng)蛋白（CRP）和降鈣素原（PCT）是目前臨床上重要的診斷細(xì)菌感染的敏感標(biāo)志物，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)PCT 和CRP有利于對(duì)疾病的判斷及預(yù)后[19]。肖鋒等[20]構(gòu)建一種基于微流控芯片平臺(tái)的化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)中所涉及操作，比如抗原-抗體結(jié)合、磁珠包被、熒光標(biāo)記及信號(hào)檢測(cè)等過程集成化，能在15min 內(nèi)完成CRP 與PCT 兩種感染性疾病標(biāo)記物的同步檢測(cè)。研究表明這種新的免疫分析方法，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度等指標(biāo)接近于傳統(tǒng)的免疫分析方法，因其具有操作自動(dòng)化、分析通量高、檢測(cè)時(shí)間短和線性范圍寬的優(yōu)勢(shì)，非常適合門急診及床旁快速診斷。

3 在病原微生物檢測(cè)中的應(yīng)用

面對(duì)未知感染源疫情時(shí)，往往需要多種病原體進(jìn)行篩查[21]。傳統(tǒng)病原微生物檢測(cè)方法包括菌落培養(yǎng)、血清學(xué)鑒定等[22]，這些檢測(cè)方法只能局限于實(shí)驗(yàn)室，而且面臨檢測(cè)周期過長、對(duì)窗口期不敏感、靈敏度較差等問題。微流控技術(shù)在解決這些問題上展示出新的優(yōu)勢(shì)。

3.1 人乳頭狀瘤病毒檢測(cè)

宮頸癌是原發(fā)于子宮頸部的惡性腫瘤。研究表明，人乳頭狀瘤病毒（HPV）是導(dǎo)致宮頸癌的主要原因，因此對(duì)于HPV 的檢測(cè)和分型是預(yù)防和篩查宮頸癌的關(guān)鍵[23]。博暉創(chuàng)新定位于微流控技術(shù)平臺(tái)，以核酸檢測(cè)為目的，研發(fā)出一臺(tái)HPV 核酸微流控檢測(cè)儀[24]。利用微流控技術(shù)，無需樣本前處理，在一張芯片上集成核酸提取、多重PCR擴(kuò)增、膜反向雜交顯色等各個(gè)步驟，能夠同時(shí)檢測(cè)出24個(gè)HPV 亞型。研究表明博暉創(chuàng)新微流控檢測(cè)儀具有特異性高、線性良好、對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件要求不高且易于操作等優(yōu)勢(shì)，因此是一種適宜推廣的HPV 檢測(cè)平臺(tái)。

3.2 微流控技術(shù)在臨床檢驗(yàn)領(lǐng)域的局限性

微流控芯片技術(shù)憑借著自身的優(yōu)勢(shì)具有廣闊的發(fā)展前景，但是目前仍存在一些難題尚未解決：（1）質(zhì)量控制及實(shí)驗(yàn)安全：一方面對(duì)于樣本不能與第三方質(zhì)控品和其他臨床樣本同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)報(bào)告也非專業(yè)操作人員審核和解讀。另一方面使用過后的試劑盒無法集中回收，可能會(huì)帶來生物安全的隱患。（2）臨床應(yīng)用范圍較窄：現(xiàn)階段的微流控技術(shù)在少數(shù)項(xiàng)目的檢測(cè)性能較好，甚至超越傳統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)，但也存在著一些弊端，沒有形成全面超越的優(yōu)勢(shì)。（3）產(chǎn)業(yè)環(huán)境：微流控芯片的研發(fā)和應(yīng)用單位脫節(jié)，高端加工技術(shù)的欠缺也加大了產(chǎn)品開發(fā)的難度，限制推廣應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

微流控芯片技術(shù)與傳統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，兩者可以相互取長補(bǔ)短，形成共同發(fā)展的模式。隨著我國精準(zhǔn)醫(yī)療的啟動(dòng)，微流控技術(shù)將極大地推動(dòng)現(xiàn)代檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，未來將會(huì)與其他前沿科學(xué)技術(shù)相互交叉滲透，聯(lián)合產(chǎn)生新的分析方法，從而為臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)診斷提供更準(zhǔn)確的信息。