微流控芯片技術在臨床醫學檢測中的應用進展

陳榕方，吳雁(通信作者)

天津市泰達醫院檢驗科 (天津 300457)

微流控芯片技術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的應用使從處理樣品到結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揮著較大的作用[1]。微流控芯片技術具有操作高效、自動化、集成化、低消耗等優勢，并在捕獲循環腫瘤細胞、分離病毒病原體、檢測腫瘤標志物等方面的應用效果顯著[2]。結合目前的相關研究發現，將微流控芯片技術作為一類商品大規模的引入到醫院工作中仍然存在著一定的問題，可能會出現準確度及精確度無法達到標準的情況，使檢測結果出現偏差[3]。本研究結合既往工作經驗以及操作技術進行了相關研究及整理，重點就微流控芯片技術在臨床醫學檢測中的應用進展進行綜述，分別從其概況、技術特點、應用現狀等方向展開分析。

1 微流控芯片技術即時檢驗的概況

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用，且已經成為即時檢驗的理想載體，也被當作是當前階段公認的即時檢驗的主要發展方向，尤其是在臨床檢驗及分析、DNA分析、蛋白質學組分析以及綜合分析等方面的診斷工作中。即時檢驗是臨床醫學檢驗工作中的一種新型發展模式。美國國家臨床生化科學院將即時檢驗定義為一種在患者身邊由經過未接受臨床實驗室學科訓練的醫務工作者或患者所實施的臨床檢驗工作[4]。即時檢驗被認為是一種除傳統實驗室檢測外的一切檢測，檢測結果可現場分析，同時可將報告作為一個能夠移動的微型檢測系統。在醫學診斷效率的提升以及診斷結果的改進方面，即時檢驗在最初的研究中凸顯出了諸多的優勢[5]。在較早的研究中已經體現了其在血糖檢測以及艾滋病檢測領域獲得了廣泛的應用，并在其他疾病的檢測診斷方面也做出了巨大的貢獻。

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勢，如尺寸規模較小、檢測靈活性較高、檢測設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院以及發展中國家得到良好的應用，比較易于被使用者接受與認可。

2 微流控芯片技術的應用現狀

微流控芯片的即時檢驗技術能夠體現出微流控技術的絕大多數特性，且在生物工程、材料、化學等學科被廣泛應用。微流控芯片即時檢驗在臨床免疫測定工作中的應用集中體現在細菌病毒以及寄生蟲等的相關檢測工作中，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也適用于核酸提取、血液分析以及細胞分析等領域。在各個領域內涉及到的相關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的進步及發展。

與傳統檢測技術相比，DNA提取工作非常耗費人力、物力及財力，且對操作過程有著嚴格的要求及限制，如接觸到有毒、有害的物質或者試劑時會對檢查結果造成誤差。而微流控芯片技術可從生物樣品細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的一個科學的方法。微流控芯片技術的操作方法可總結為3步：在離液鹽的環境下對DNA進行吸附、將其溶于乙醇后再將雜質清除及對含有緩沖液的DNA進行洗脫。需注意的是，固相提取物需要依靠DNA及固相載體間的結合性能，在對溫度、PH值、緩沖液的敏感性進行鑒別時，存在較高的敏感性，因此，在實際操作過程中容易出現DNA片段缺失。相比之下，除去DNA之外的其他細胞溶解物也容易對結合反應的過程造成不良影響。在當前階段，提取效率通常可保持在60%～90%，故今后還需利用新型的技術進行操作以彌補當前工作中的不足。

微流控芯片技術開始在如刑事科學、環境檢測、生物醫學、新型藥品合成、食品和商品等各個領域被廣泛的解析及應用，其中最為熱門的是生物醫學領域的分析。在當前階段，微流控芯片技術的主要應用范圍涵蓋了DNA測序、核酸分理與定量、基因突變以及表達差異分析等。另外，也存在采用微流控芯片技術篩查以及分析蛋白質的相關報道。

3 微流控芯片技術的特點

與傳統的生物技術相比，微流控芯片技術在疾病檢測及診斷方面表現出質的飛躍，其突出的特點表現在微型化、自動化以及高通量化[6]。微流控芯片技術的開發特點是將生物化學作為研究基礎，將微機電加工技術作為最基本的依托，將微管道網絡作為結構特征，借助各個工作單元獨立執行并完成單一反應或者單元操作，同時能夠完成相對較為復雜的工作，由此保證各個芯片成為一個時刻呈現出動態的系統，并能夠將分離、化學反應以及檢測等全部融入到芯片中，對其加以重復使用，最大程度地保證了該技術的適用范圍[7]。微流控芯片技術屬于一種通用性較強的DNA芯片，其操作特異性由聚合酶鏈反應所控制，為此，也可將其作為檢測平臺，為操作者提供菜單式的服務及可選擇的具體臨床信息，這也為其未來的發展方向奠定了基礎[8]。

4 微流控芯片技術的醫學檢測應用現狀

4.1 聚合酶鏈反應技術

微流控芯片技術在與聚合酶鏈反應技術結合后可在短時間內快速地完成擴增工作，一方面可縮小反應體系，提高檢測靈敏度，另一方面可縮短反應時間，易于攜帶，被認為是當前醫學檢測領域工作中重要的新型技術。曾有研究報道就微流控芯片技術結合聚合酶鏈反應技術進行了分析，研發出了相對靈活的交替拉推式主動數字化微流控芯片技術，以此保證微空的聚合酶鏈反應樣品數字化率可最大程度的接近100%[9]。該技術的操作原理在于通過利用氣動閥門，以周期性的動態化表現對芯片內的氣壓進行有效調節，由此最大程度地促進真空驅動溶解液分割在微孔中的過程，從而實現小體積溶液的數字化，降低體積的變化。當前微流控PCR芯片的研發及應用更加趨于結構的簡單化、功能的集成化以及一次性的發展方向，在其基礎上能夠完成完整的生物樣本分離分析的裝置，這在我國當前醫學領域中亦得到了相對廣泛的應用。

4.2 病原體檢測

基于微流控芯片技術的病原體檢測在臨床醫學領域中得到了廣泛的應用，并顯示出了較高的準確性及靈敏度，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在下一代病原微生物診斷中的應用進行了研究，發現微流控系統可構成無細胞診斷工具，且在應用期間能夠與其他應用技術相互結合，進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。微流控芯片技術在病原體檢測方法主要分為細菌檢測以及病毒檢測兩個部分。

4.2.1細菌檢測

目前，微流控芯片技術在食源性致病菌的檢測工作中被廣泛應用，且該技術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，微流控芯片技術用于細菌耐藥性的檢測工作中也發揮了較強的效果，不僅可對單細胞乃至單細胞器的水平對數百個細胞的耐藥性進行分析，也可對單細胞的耐藥情況實施監控作用[13]。

4.2.2病毒檢測

微流控芯片技術也被廣泛應用在病毒檢測工作中，結合既往研究經驗可見，微流控芯片技術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]。與傳統檢測方法相比，微流控芯片技術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勢。

4.3 組織工程檢測

微流控芯片技術與材料科學的不斷發展及應用推動了體外細胞組織器官的構建，這在一定程度上促進了高效診斷及檢測技術的進步。有研究報道了電活性示蹤跡取代傳統營養示蹤劑的新型微流控芯片滲透率的示范方法，其中電化學滲透并不需要借助人工取樣以及比較復雜的光學儀器[15]。相關研究發現，不同類型的電活性示蹤劑還可被分為3種不同的形態，包括惰性的、高效的及穩態的，且這些不同狀態下的示蹤劑的應用可對內皮細胞的滲透性進行測量[16]。電化學滲透率測定方法的應用充分結合了示蹤劑滲透率的便捷性與芯片集成的高效性，因此發展前景更為廣泛。微流控芯片技術的應用還可用于對滋養細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在孕婦全部血樣本中的應用進行分析，結果發現該技術能夠快速地在單細胞的水平下對未進行標記的富集循環細胞進行分離，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，微流控芯片技術所進行的血液分析已被應用于各類疾病的診斷工作中，包括生物學、基礎醫學等。該技術適用于各類只用少量的液體即刻完成相應的操作，如癌細胞以及重度貧血患者中。有學者借助微流控芯片技術研發了新型人工胎盤型微流控血氧合器，該設備可完成一系列的高氣體交換、低注入量等相關操作，且在應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備[17]。該設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了相對較為緊湊的外形，有助于實現高吸氧的效果，也可在一定程度上促使早產兒出生體質量達到最低的標準。

4.5 腫瘤外泌體檢測

腫瘤來源的外泌體通常在腫瘤微環境胞間通訊中發揮重要的作用，且優勢突出。在一般情況下，腫瘤外泌體在體液中的含量相對較為穩定，并能夠較快且靈活地分析并反映當前腫瘤所處的實際狀態，也被認為是液體檢測技術中具有較高潛力的腫瘤標志物[18]。目前，外泌體相關研究中所面臨的一個最大困難在于如何將其從比較復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為是對外泌體濃縮的最經典方法之一。但該方法操作步驟復雜，且相關儀器設備費用較高，回收率也相對較低，臨床應用欠佳[19]。而在微流控芯片技術基礎上進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胞行為，由此實現對實體腫瘤細胞代謝異常的早期診斷，這為后續腫瘤疾病的治療提供了更多的選擇[20]。

5 小結

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多先進的技術在醫學領域被廣泛應用。目前，臨床工作中有諸多實際案例證實了微流控芯片技術在醫學尤其是臨床檢驗科工作中的應用效果[21-22]。微流控芯片技術不僅可用于PCT檢測，也可完成現場的檢測及診斷工作，為后續的治療奠定基礎，還可用于單細胞的測序以及微量化學反應等工作，在臨床醫學檢測工作中具有重要地位，在接下來的研究中可進一步地研究并拓展其應用范圍。