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微流控芯片與檢測儀器創(chuàng)新與實際的應用
2021-01-18
微流控芯片技術(shù)是生物醫(yī)學領(lǐng)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(yī)藥、免疫等領(lǐng)域.近日,復旦大學孔繼烈教授就微流控技術(shù)以及其團隊在微流控技術(shù)產(chǎn)業(yè)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(yè),但其更多的應用在生物醫(yī)藥以及診療等領(lǐng)域.近年來,"精準醫(yī)學"概念的出現(xiàn),更是急切呼喚創(chuàng)新分析測量技術(shù)與儀器."精準醫(yī)學"的最核心的部分是"精準的診斷",這也是新藥研發(fā)及提出新興治療方案的前提.作為生物醫(yī)療領(lǐng)域的前端,像現(xiàn)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?qū)е录膊〉陌l(fā)生.無論是常見病癥還是癌癥,都需要微流控這樣的技術(shù)出現(xiàn).
從宏觀的層面來講,無論是蛋白質(zhì)水平相關(guān)儀器,還是核酸水平相關(guān)儀器,國產(chǎn)醫(yī)療器械市場占有率還很低.上海三甲醫(yī)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(nèi)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(shù)衍生于分析化學,而無論從學科知識的構(gòu)成,還是人才培養(yǎng),都是多種相關(guān)學科交叉的結(jié)果.儀器的產(chǎn)業(yè)化是一個系統(tǒng)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(shù),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(shù)(如3D打印等技術(shù)).此外,還要有生物醫(yī)學、創(chuàng)新診斷方法學等多方面的共同結(jié)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(chuàng)業(yè)平臺,將不同領(lǐng)域的專業(yè)人才聚集起來,共同進行儀器的研發(fā)生產(chǎn).目前,孔繼烈教授與他之前指導畢業(yè)的博士們正在做這件事.
目前,微流控技術(shù),尤其是微流控領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化還有很多問題,主要包括以下幾個方面:
1、進口多,國產(chǎn)少.
首先涉及到的很多器件,如光學器件、光電轉(zhuǎn)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(shù)缺乏,上游的零部件技術(shù)也很缺乏.從整體來講,現(xiàn)狀是蛋白質(zhì)、核酸檢測的二類醫(yī)療器械,無論是化學發(fā)光還是電化學發(fā)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(fā)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(fā)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(shù),甚至可以搭一個裝置,但是沒有辦法定型,也沒有辦法做質(zhì)控的標準.比如從計量的角度,這個產(chǎn)品怎么檢驗?怎么能達標?企業(yè)標準,行業(yè)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(yè)內(nèi)多家單位協(xié)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(shù)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(fā)送指令進行信號提取、信號處理和出具結(jié)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(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)等模塊.研發(fā)目標是實現(xiàn)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(xiàn).
2017年,孔教授團隊開始第二代產(chǎn)品開發(fā),在光路、電路、信號放大、離心盤的可控性等方面進行了優(yōu)化,可實現(xiàn)在同一個檢測平臺上做多種需求的靶點數(shù)、樣本數(shù)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(yī)療器械——將來可以和醫(yī)院檢驗科對接的設備,在30分鐘內(nèi)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(tǒng)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(zhì)、DNA的納米分子診斷技術(shù)、微流控驅(qū)動技術(shù)、集成技術(shù)、區(qū)域精準控溫技術(shù)、高敏熒光檢測技術(shù)、微流控盤快/慢速切換技術(shù),可實現(xiàn)多模塊集成工作.
該設備的應用方向十分廣泛,包括公共衛(wèi)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(fā)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(xiàn)場快速篩查,靈敏度達到10個拷貝.
3、轉(zhuǎn)基因大豆檢測,可以很快完成多種轉(zhuǎn)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(zhì)指標的新型檢測方式,目前檢測靈敏度顯著高于傳統(tǒng)同類儀器.
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