当前微流控研究应用到了哪些热点？

风云

原文：当前微流控研究应用的这些热点，你get到了么随着医疗行业逐渐向个性化医疗发展，临床检测诊断技术也在不断升级以适应市场需求。由于具有创新的解决方案和相对优势的应用成本，微流控吸引了越来越多的关注，其潜在的市场价值已经得到投资者的认可。微流控芯片技术是生物芯片的基石，它通过多学科交叉将化学、生物学、医学等领域所涉及的样品预处理、生化反应、分选及检测等过程集成到几平方厘米的芯片上，从而实现从样品前处理到后续分析的微型化、自动化、集成化和便携化的技术，具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。





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同花顺

微流控技术是一种研究热点，其应用范围包括分析测试、生物工程、医学分析、有机合成等尖端科技领域。当前微流控研究的应用热点主要有：器官芯片、即时诊断（POCT）领域、单细胞测序和数字PCR、微球制备、电化学、CRISPR等新兴技术与微流控的结合应用、3D人体细胞模型等。
以微流控器官芯片领域为例，由于器官芯片是一项比较有潜力的新技术，多数专家认为，器官芯片将在两个大方向发力：药物研发和个体化精准治疗。其中，药物研发领域会是器官芯片应用的第一轮。
微流控器官芯片供应商CN Bio Innovations Ltd的PhysioMimix微流控器官芯片在药物的发现和开发过程中已被应用：从早期的靶点发现，到疾病建模，再到Lead优化，都能够发挥作用(下图)：



图：CN-Bio的PhysioMimix微流控器官芯片的应用热点

（1）在疾病建模阶段，CN-Bio对人类原代细胞或干细胞，进行短至中等时期（2天至2周的培养），可以模拟人类特异性疗法，比如免疫疗法、基因疗法等。通过模拟这些疗法，可以获得新颖的生物学见解，例如流体力学和机械刺激，对疾病状态的影响；
（2）在Lead鉴定阶段，多器官芯片系统在炎症、代谢综合征、NASH以及适应性免疫反应领域发挥了重要作用；
（3）在临床前研究阶段，CN-Bio的持续进料和采样功能，实现了对培养条件精确的时间控制。这在测试复杂的剂量方案或昼夜节律等方面，具有重要意义。通过研究培养时间段内的（PK）和（PD），还可以探究女性的生殖周期和干细胞分化等现象；
（4）超长时间的人体器官培养，以及多器官系统在毒理学研究中具有重要应用，能够深入调查药物的毒性。
（5）此外，在药物获批后的研究中，CN-Bio可用于药物毒性学的研究以及对失败化合物的重新评估。
总的来说，微流控器官芯片供应商CN Bio Innovations Ltd的PhysioMimix微流控器官芯片系统在药物研发的各个阶段能发挥较大作用，为新药的发现和开发提供了有力支持，是今后应用热点的典型代表。

卡卡

微流控设备在诊断分析中得到了快速发展，预计在未来几年将变得普遍。已经报道了数百种基于微流控的临床诊断和病原体检测方法，其总主题是快速和可定制的分析，这些方法具有潜在的效益。本文章基于应用领域浅谈一下微流控在分子诊断中的应用。目前大多数微流控诊断设备都是针对单一疾病设计的，例如特定的癌症或多种病原体，这些设备可能会有巨大的市场。然而，分子诊断的未来在于高度复用的微流控设备，该设备可以同时筛查潜在的数百种疾病，但目前只是一个美好的设想。添加图片注释，不超过 140 字（可选）分子诊断在当今全球医疗保健环境中的作用至关重要。在发展中国家，95%的死亡是由于缺乏适当的诊断和相关的传染病后续治疗；即急性呼吸道感染（ARIs）、疟疾、艾滋病毒和肺结核（TB）。最近的流行病，如2020年新冠疫情，强调了对有效检测和控制传染病的工具的需求。“病原体的快速突变率、非人病原体转化为人类病原体以及非人病原体与人类病原体的重组”等因素增加了防治新型传染病的挑战。正如2020年新冠疫情期间所看到的那样，全球流动性的增加有助于传染病从起源地区迅速传播到世界其他地区。这种流动性突出了在入境口岸对快速便携式诊断（POC）设备的需求，以防止病毒的全球传播。目前病原体的实验室培养方法需要一天或更长时间才能提供结果。显然，需要开发方法来帮助快速诊断。对于某些其他类型的感染，无论是在发达国家还是发展中国家，都需要定期重复诊断测试来监测疾病状况。其中一个案例是监测艾滋病毒（人类免疫缺陷病毒）和丙型肝炎等感染的病毒载量（每毫升血液中的病毒颗粒数）。非洲撒哈拉沙漠以南是受艾滋病病毒严重影响的地区。这些地区缺乏标准的实验室设施和经验丰富的实验室技术人员。而一个简单的POC平台就可以在资源如此匮乏的环境中增加患者的治疗机会。在发达国家，应对癌症等重大疾病的策略正在从治疗模式转变为诊断模式，因为如果及早发现疾病，治疗成本将大幅下降。缺血性心脏病和脑血管疾病是发达国家死亡的主要原因。快速、低成本的诊断工具布置在社区，甚至可能在家中使用，这将带来更快速的疾病和感染诊断和监测，从而带来巨大的好处。人们一致认为，一种理想的诊断工具，微流控肯定是必需的，并且很可能是构成设备的关键部件。微流控技术可以定义为“使用尺寸为数十微米至数百微米的通道处理或操纵少量（10–9至10–18升）流体的系统的科学和技术”。LOC设备的最终目标是在微流控芯片上集成整个实验室能力。微流控的一些特征使该技术对微流控芯片应用具有吸引力，这些特征包括：1.以较低的成本大规模制造小型手持设备的制造方法的可用性。2.操作小体积样品的能力，需要较低量的试剂。3.为单细胞分析、多重分析或法医痕迹分析等应用程序分析小体积的能力。4.长度尺度越小，分析速度越快，分离效率越高，响应时间越短。高速分析也使微流控成为高通量应用的合适候选者。5.在单个设备上直接集成多个组件/功能（样品制备、检测、数据处理）。6.具有全自动化和简单易用性等优点，可供非专业人员使用。7.便携性、占地面积小，允许现场和临床使用，并可能允许更广泛的诊断。高度平行的分析将允许在同一个样本或多个样本上同时进行多个测试。原则上，微流控设备可用于获得每个个体的蛋白质组学、代谢组学和遗传数据等参数，以进行个性化护理。图1提供了具有样品输入/读出功能的微流控LOC装置的基本通用示意图。该图显示了一些可能涉及样品制备、分析或分离以及检测的各种技术。图2是犹他州生物医学微流控卓越中心开发的真实核苷酸分析系统的示例。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图1设计用于执行各种单元操作和单元处理步骤的概念性芯片实验室设备的示意图，包括：样品制备（例如，流体处理、衍生化、细胞裂解、浓缩、提取和扩增）、样品分离（例如，电泳、液相色谱、分子排阻、场流分级），和检测（例如，荧光、UV/Vis吸收、电流法、电导率、拉曼、电化学）。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图2：（a） 自动化核苷酸提取平台的原型。微流控系统由五个不同的部件组成：（i）包含玻璃纤维过滤器的一次性微流控盒（插图）；（ii）用于流量控制的PDMS微流控芯片；（iii）用于混合、计量、泵送和反应的微流控室；（iv）气动微泵，用于将洗脱的样品输送到下游测定；（v）用于控制片上阀的真空泵。提取芯片还具有用于热裂解和逆转录的装置（未示出）。（b） 基于碳纳米管的电化学纳米传感器阵列的测试插座的原型。测试插座为检测核苷酸杂交的纳米传感器芯片（插图）提供流体和电气接口。（c） 具有三个温度区的PCR芯片的原型，该芯片使用聚碳酸酯制成。诊断学中的微流控技术细菌检测细菌检测是临床诊断、食源性病原体监测和生物威胁因子检测等领域的关键需求。有害细菌是肠胃炎和霍乱等疾病的来源。从生物恐怖主义的角度来看，致病菌构成了严重的风险。在适宜的温度下，在有水分和营养的情况下，细菌可以极快的速度传播。检测和鉴定细菌的传统方法需要将少量细菌培养成更高数量的菌落。因此，传统方法至少需要18-24小时。此外，传统方法需要复杂的设备和经验丰富的技术人员，并且不能在现场部署。病原体检测主要有两种模式：免疫检测和基于核酸的检测。在免疫检测中，探测抗体和靶细胞（分析物）的抗原之间的结合相互作用被检测到。可以使用多种机制来检测这种相互作用，例如：光学、电学或电化学阻抗、悬臂梁、石英晶体微天平、表面等离子体共振（SPR）和磁阻。基于核酸的传感器检测分析生物样本中的DNA或RNA靶标。聚合酶链式反应（PCR）或逆转录PCR（RT-PCR）用于扩增核酸以增强检测信号。光学检测方法通常是优选的，因为它们具有高选择性和灵敏度。已经使用光学手段为细菌开发了各种微流控装置。Xiang等人报道了一种使用激光光纤荧光检测大肠杆菌的微流控系统。他们报告的检测极限比传统荧光显微镜高一个数量级。高等人开发了一种用于荧光检测人类血清中细菌抗体的多路微流控装置。TRITC标记的检测抗体被预图案化在微通道上的抗原捕获。Meagher等人开发了一种用于基于荧光检测志贺毒素I（痢疾杆菌）和葡萄球菌肠毒素B（金黄色葡萄球菌）的集成微流控平台。微流控装置也已被应用于寄生虫的检测。Stevens等人开发了一种“卡上干试剂储存的微流控流通膜免疫测定法”，用于检测恶性疟原虫。微流控癌症生物标志物检测2010年，美国估计每天有1500例与癌症相关的死亡，报告了约140万例新的癌症病例。到2020年，全球癌症相关死亡人数为996万。自1950年以来，每10万美国人中癌症死亡率从194下降到190，与其他疾病死亡率的下降相比，这一下降幅度微不足道。癌症存活率的大部分提高是由于早期诊断而非治疗的改善。例如，对于乳腺癌、结肠癌、直肠癌和宫颈癌，早期检测已被证明可以显著降低死亡率。现有的癌症诊断方法依赖于手术技术，如活检，然后检查细胞形态。此外，传统方法在疾病早期检测中可能没有优势。免疫测定（ELISA）等其他技术已被用于检测癌症生物标志物。尽管ELISA已经非常敏感，但它们可能耗时、昂贵，而且大多在需要熟练人员的实验室中进行。在大多数情况下，免疫测定只寻找一种生物标志物，并且无法检测到非常低的生物标志物水平，尤其是在疾病的早期阶段。需要准确、快速和经济的POC设备。这将有助于改善诊断、监测疾病进展和对治疗的反应。肿瘤学的进步已经导致了与不同类型癌症相关的生物标志物的鉴定。致癌有多种因素。这与“致癌途径的异质性”一起，使得癌症诊断需要分析一系列生物标志物。因此，需要具有检测多种生物标志物的多路复用能力的POC设备。尽管癌症诊断设备的研究正在向前推进，但该技术的商业化仍然是一个挑战。在此，我们回顾了微流控POC设备用于癌症诊断的一些最新研究。Legendre等人报道了用于诊断T细胞淋巴瘤的微流控装置的设计和开发工作。该系统接受全血样本作为输入，提取DNA，扩增T细胞受体基因的靶序列，并对产物进行电泳解析，以检测与单克隆性一致的特征。Diercks等人展示了一种微流控设备，该设备以微升体积测量pg/mL浓度的多种蛋白质。用嵌入荧光团标记的抗体偶联的聚苯乙烯微球用于检测分析物（蛋白质）。获取的分析物的光学检测是使用共焦显微镜在芯片外进行的，这被证明是缺乏设备便携性的。类似的荧光方法已用于检测人血浆中的血管内皮生长因子。开发了一种基于芯片核磁共振（NMR）的生物传感器，用于癌症标志物（表皮生长因子受体EGFR和Her2/neu）的多重鉴定。该设计包括用于NMR测量的微线圈阵列、用于样品处理的微流控通道和用于产生极化磁场的永磁体，所有这些都集成到手持设备中。微流控心脏病生物标志物检测心血管疾病（CVD）造成了西方世界近一半的死亡。据报道，5%的心肌梗死（MI）患者错误地从急诊科出院。因此，为了及时有效地干预心血管疾病，需要快速准确的诊断工具。对于准确的“急性冠状动脉综合征（ACS）患者的诊断、预后、监测和风险分层”，生化标志物发挥着基础作用。在临床环境中，50-70%的ACS相关病例的心电图结果不明确。在这种情况下，心脏病生物标志物水平可以为治疗提供关键信息。关于将POC技术用于心脏病生物标志物诊断，存在不同意见，一些人认为它是传统实验室分析仪的替代品，另一些人则质疑这些技术的准确性。以下部分介绍了用于心脏生物标志物检测的微流控设备。生物标志物的大多数诊断机制包括两个步骤，捕获分析物（生物标志物）的初始免疫测定和随后捕获的分析物的检测。使用光学方法，Jönsson等人展示了用于检测C反应蛋白（CRP）的侧流聚合物芯片。Gervais等人展示了一种用于一步检测血清中CRP的微流控装置。该装置基于毛细管作用进行流体致动，不需要任何外部功率要求，这使得它在POC、低成本设置中非常有用。Hong等人开发了一种多重心脏生物标志物检测原型设备。基于MEMS的设备使用基于Au纳米粒子的荧光检测检测四种不同的心脏标志物，即肌红蛋白、CRP、cTnI和BNP。Bhattacharyya&Klapperich开发了一种用于检测CRP的一次性微流控芯片，包括板载检测模块。电化学方法已被应用于检测心脏标志物。与光学方法不同，这些方法不需要昂贵的片外光学检测设备，并且可以适用于POC应用。Tweedie等人提出了一种用于心脏酶的基于微流控的阻抗测量传感装置。i-STAT系统是用于cTnI电化学检测的商业测试盒。该设备可以检测0–50 ng/ml范围内的cTnI，并作为MI的诊断工具获得了良好的认可。已经报道了用于检测肌红蛋白、cTnI和CRP的其他基于电化学的检测方法。最近，Mitsakakis和Gizeli开发了一种集成的微流控表面声波（SAW）平台，用于检测心脏标志物肌酸激酶MB（CK-MB）、CRP和D-二聚体。在过去的几年里，微流控诊断设备发展迅速。应用程序和微流控制造方法的持续发展，包括可以为每次诊断测试轻松定制的平台技术，将是成功的驱动力。最近的进展和对全球健康的重视有助于将该领域推向POC设备，这种设备可能在未来几年变得无处不在。虽然大多数微流控设备都有一个诊断目标，但能够诊断100或1000种疾病的设备可能会在未来十年内开发和商业化，使微流控成为疾病诊断的主要驱动力。
微流控在分子诊断中的应用
微流控设备在诊断分析中得到了快速发展，预计在未来几年将变得普遍。已经报道了数百种基于微流控的临床诊断和病原体检测方法，其总主题是快速和可定制的分析，这些方法具有潜在的效益。本文章基于应用领域浅谈一下微流控在分子诊断中的应用。目前大多数微流控诊断设备都是针对单一疾病设计的，例如特定的癌症或多种病原体，这些设备可能会有巨大的市场。然而，分子诊断的未来在于高度复用的微流控设备，该设备可以同时筛查潜在的数百种疾病，但目前只是一个美好的设想。


分子诊断在当今全球医疗保健环境中的作用至关重要。在发展中国家，95%的死亡是由于缺乏适当的诊断和相关的传染病后续治疗；即急性呼吸道感染（ARIs）、疟疾、艾滋病毒和肺结核（TB）。最近的流行病，如2020年新冠疫情，强调了对有效检测和控制传染病的工具的需求。“病原体的快速突变率、非人病原体转化为人类病原体以及非人病原体与人类病原体的重组”等因素增加了防治新型传染病的挑战。正如2020年新冠疫情期间所看到的那样，全球流动性的增加有助于传染病从起源地区迅速传播到世界其他地区。这种流动性突出了在入境口岸对快速便携式诊断（POC）设备的需求，以防止病毒的全球传播。目前病原体的实验室培养方法需要一天或更长时间才能提供结果。显然，需要开发方法来帮助快速诊断。
对于某些其他类型的感染，无论是在发达国家还是发展中国家，都需要定期重复诊断测试来监测疾病状况。其中一个案例是监测艾滋病毒（人类免疫缺陷病毒）和丙型肝炎等感染的病毒载量（每毫升血液中的病毒颗粒数）。非洲撒哈拉沙漠以南是受艾滋病病毒严重影响的地区。这些地区缺乏标准的实验室设施和经验丰富的实验室技术人员。而一个简单的POC平台就可以在资源如此匮乏的环境中增加患者的治疗机会。
在发达国家，应对癌症等重大疾病的策略正在从治疗模式转变为诊断模式，因为如果及早发现疾病，治疗成本将大幅下降。缺血性心脏病和脑血管疾病是发达国家死亡的主要原因。快速、低成本的诊断工具布置在社区，甚至可能在家中使用，这将带来更快速的疾病和感染诊断和监测，从而带来巨大的好处。
人们一致认为，一种理想的诊断工具，微流控肯定是必需的，并且很可能是构成设备的关键部件。微流控技术可以定义为“使用尺寸为数十微米至数百微米的通道处理或操纵少量（10–9至10–18升）流体的系统的科学和技术”。LOC设备的最终目标是在微流控芯片上集成整个实验室能力。
微流控的一些特征使该技术对微流控芯片应用具有吸引力，这些特征包括：
1.以较低的成本大规模制造小型手持设备的制造方法的可用性。
2.操作小体积样品的能力，需要较低量的试剂。
3.为单细胞分析、多重分析或法医痕迹分析等应用程序分析小体积的能力。
4.长度尺度越小，分析速度越快，分离效率越高，响应时间越短。高速分析也使微流控成为高通量应用的合适候选者。
5.在单个设备上直接集成多个组件/功能（样品制备、检测、数据处理）。
6.具有全自动化和简单易用性等优点，可供非专业人员使用。
7.便携性、占地面积小，允许现场和临床使用，并可能允许更广泛的诊断。
8.高度平行的分析将允许在同一个样本或多个样本上同时进行多个测试。原则上，微流控设备可用于获得每个个体的蛋白质组学、代谢组学和遗传数据等参数，以进行个性化护理。
图1提供了具有样品输入/读出功能的微流控LOC装置的基本通用示意图。该图显示了一些可能涉及样品制备、分析或分离以及检测的各种技术。图2是犹他州生物医学微流控卓越中心开发的真实核苷酸分析系统的示例。


图1设计用于执行各种单元操作和单元处理步骤的概念性芯片实验室设备的示意图，包括：样品制备（例如，流体处理、衍生化、细胞裂解、浓缩、提取和扩增）、样品分离（例如，电泳、液相色谱、分子排阻、场流分级），和检测（例如，荧光、UV/Vis吸收、电流法、电导率、拉曼、电化学）。


图2：（a） 自动化核苷酸提取平台的原型。微流控系统由五个不同的部件组成：（i）包含玻璃纤维过滤器的一次性微流控盒（插图）；（ii）用于流量控制的PDMS微流控芯片；（iii）用于混合、计量、泵送和反应的微流控室；（iv）气动微泵，用于将洗脱的样品输送到下游测定；（v）用于控制片上阀的真空泵。提取芯片还具有用于热裂解和逆转录的装置（未示出）。（b） 基于碳纳米管的电化学纳米传感器阵列的测试插座的原型。测试插座为检测核苷酸杂交的纳米传感器芯片（插图）提供流体和电气接口。（c） 具有三个温度区的PCR芯片的原型，该芯片使用聚碳酸酯制成。
诊断学中的微流控技术
细菌检测
细菌检测是临床诊断、食源性病原体监测和生物威胁因子检测等领域的关键需求。有害细菌是肠胃炎和霍乱等疾病的来源。从生物恐怖主义的角度来看，致病菌构成了严重的风险。在适宜的温度下，在有水分和营养的情况下，细菌可以极快的速度传播。
检测和鉴定细菌的传统方法需要将少量细菌培养成更高数量的菌落。因此，传统方法至少需要18-24小时。此外，传统方法需要复杂的设备和经验丰富的技术人员，并且不能在现场部署。
病原体检测主要有两种模式：免疫检测和基于核酸的检测。在免疫检测中，探测抗体和靶细胞（分析物）的抗原之间的结合相互作用被检测到。可以使用多种机制来检测这种相互作用，例如：光学、电学或电化学阻抗、悬臂梁、石英晶体微天平、表面等离子体共振（SPR）和磁阻。基于核酸的传感器检测分析生物样本中的DNA或RNA靶标。聚合酶链式反应（PCR）或逆转录PCR（RT-PCR）用于扩增核酸以增强检测信号。
光学检测方法通常是优选的，因为它们具有高选择性和灵敏度。已经使用光学手段为细菌开发了各种微流控装置。Xiang等人报道了一种使用激光光纤荧光检测大肠杆菌的微流控系统。他们报告的检测极限比传统荧光显微镜高一个数量级。高等人开发了一种用于荧光检测人类血清中细菌抗体的多路微流控装置。TRITC标记的检测抗体被预图案化在微通道上的抗原捕获。Meagher等人开发了一种用于基于荧光检测志贺毒素I（痢疾杆菌）和葡萄球菌肠毒素B（金黄色葡萄球菌）的集成微流控平台。
微流控装置也已被应用于寄生虫的检测。Stevens等人开发了一种“卡上干试剂储存的微流控流通膜免疫测定法”，用于检测恶性疟原虫。
微流控癌症生物标志物检测
2010年，美国估计每天有1500例与癌症相关的死亡，报告了约140万例新的癌症病例。到2020年，全球癌症相关死亡人数为996万。自1950年以来，每10万美国人中癌症死亡率从194下降到190，与其他疾病死亡率的下降相比，这一下降幅度微不足道。癌症存活率的大部分提高是由于早期诊断而非治疗的改善。例如，对于乳腺癌、结肠癌、直肠癌和宫颈癌，早期检测已被证明可以显著降低死亡率。
现有的癌症诊断方法依赖于手术技术，如活检，然后检查细胞形态。此外，传统方法在疾病早期检测中可能没有优势。免疫测定（ELISA）等其他技术已被用于检测癌症生物标志物。尽管ELISA已经非常敏感，但它们可能耗时、昂贵，而且大多在需要熟练人员的实验室中进行。在大多数情况下，免疫测定只寻找一种生物标志物，并且无法检测到非常低的生物标志物水平，尤其是在疾病的早期阶段。需要准确、快速和经济的POC设备。这将有助于改善诊断、监测疾病进展和对治疗的反应。
肿瘤学的进步已经导致了与不同类型癌症相关的生物标志物的鉴定。致癌有多种因素。这与“致癌途径的异质性”一起，使得癌症诊断需要分析一系列生物标志物。因此，需要具有检测多种生物标志物的多路复用能力的POC设备。尽管癌症诊断设备的研究正在向前推进，但该技术的商业化仍然是一个挑战。
在此，我们回顾了微流控POC设备用于癌症诊断的一些最新研究。Legendre等人报道了用于诊断T细胞淋巴瘤的微流控装置的设计和开发工作。该系统接受全血样本作为输入，提取DNA，扩增T细胞受体基因的靶序列，并对产物进行电泳解析，以检测与单克隆性一致的特征。Diercks等人展示了一种微流控设备，该设备以微升体积测量pg/mL浓度的多种蛋白质。用嵌入荧光团标记的抗体偶联的聚苯乙烯微球用于检测分析物（蛋白质）。获取的分析物的光学检测是使用共焦显微镜在芯片外进行的，这被证明是缺乏设备便携性的。类似的荧光方法已用于检测人血浆中的血管内皮生长因子。开发了一种基于芯片核磁共振（NMR）的生物传感器，用于癌症标志物（表皮生长因子受体EGFR和Her2/neu）的多重鉴定。该设计包括用于NMR测量的微线圈阵列、用于样品处理的微流控通道和用于产生极化磁场的永磁体，所有这些都集成到手持设备中。
微流控心脏病生物标志物检测
心血管疾病（CVD）造成了西方世界近一半的死亡。据报道，5%的心肌梗死（MI）患者错误地从急诊科出院。因此，为了及时有效地干预心血管疾病，需要快速准确的诊断工具。
对于准确的“急性冠状动脉综合征（ACS）患者的诊断、预后、监测和风险分层”，生化标志物发挥着基础作用。在临床环境中，50-70%的ACS相关病例的心电图结果不明确。在这种情况下，心脏病生物标志物水平可以为治疗提供关键信息。
关于将POC技术用于心脏病生物标志物诊断，存在不同意见，一些人认为它是传统实验室分析仪的替代品，另一些人则质疑这些技术的准确性。以下部分介绍了用于心脏生物标志物检测的微流控设备。
生物标志物的大多数诊断机制包括两个步骤，捕获分析物（生物标志物）的初始免疫测定和随后捕获的分析物的检测。使用光学方法，Jönsson等人展示了用于检测C反应蛋白（CRP）的侧流聚合物芯片。Gervais等人展示了一种用于一步检测血清中CRP的微流控装置。该装置基于毛细管作用进行流体致动，不需要任何外部功率要求，这使得它在POC、低成本设置中非常有用。Hong等人开发了一种多重心脏生物标志物检测原型设备。基于MEMS的设备使用基于Au纳米粒子的荧光检测检测四种不同的心脏标志物，即肌红蛋白、CRP、cTnI和BNP。Bhattacharyya&Klapperich开发了一种用于检测CRP的一次性微流控芯片，包括板载检测模块。
电化学方法已被应用于检测心脏标志物。与光学方法不同，这些方法不需要昂贵的片外光学检测设备，并且可以适用于POC应用。Tweedie等人提出了一种用于心脏酶的基于微流控的阻抗测量传感装置。i-STAT系统是用于cTnI电化学检测的商业测试盒。该设备可以检测0–50 ng/ml范围内的cTnI，并作为MI的诊断工具获得了良好的认可。已经报道了用于检测肌红蛋白、cTnI和CRP的其他基于电化学的检测方法。最近，Mitsakakis和Gizeli开发了一种集成的微流控表面声波（SAW）平台，用于检测心脏标志物肌酸激酶MB（CK-MB）、CRP和D-二聚体。
在过去的几年里，微流控诊断设备发展迅速。应用程序和微流控制造方法的持续发展，包括可以为每次诊断测试轻松定制的平台技术，将是成功的驱动力。最近的进展和对全球健康的重视有助于将该领域推向POC设备，这种设备可能在未来几年变得无处不在。虽然大多数微流控设备都有一个诊断目标，但能够诊断100或1000种疾病的设备可能会在未来十年内开发和商业化，使微流控成为疾病诊断的主要驱动力。

队长是我

诞生于2010年的人体器官芯片被达沃斯论坛评为世界十大新兴技术，它能够构建具有生物功能性的迷你人体器官，是一项变革性的生物医学创新技术。与传统 2D 静态细胞培养方式相比，器官芯片能够控制细胞和特定组织结构，实现高仿真的人体微环境环境模拟。

在生物医学领域，如何利用器官芯片构建病理/生理模型，为患者用药方案的制定提供新方法，是业内专家学者们迫切关注的课题。


MPS 2023大会期间，艾玮得生物多方位展示了器官芯片用于临床药敏检测的解决方案，覆盖肝胆疾病、胰腺癌、结直肠癌、肺癌等疾病研究。

基于艾玮得器官芯片构建的体外疾病模型，高仿真模拟疾病在人体内的状态与环境变化，进行高通量的药物筛选，实现血管、免疫等药物检测，有效帮助专家学者解决肿瘤患者用药方案的制定困难，并为临床同步实现降本增效。




艾玮得生物展台现场

肝胆疾病类器官与器官芯片的应用与转化研究



徐州医科大学副校长，教授，主任医师，博士生导师吕凌做“肝胆疾病类器官与器官芯片的应用与转化研究”主题报告

在MPS 2023器官芯片与精准医学分论坛现场，徐州医科大学副校长，教授，主任医师，博士生导师吕凌指出，目前肝胆疾病研究存在发病率高，肿瘤、NASH等疾病治疗难度大，发病机制研究方法受限，动物肝脏疾病模型耗时长、成本高，体外细胞实验难以真实反应体内情况等问题，肝脏类器官和器官芯片的引入为肝脏疾病的研究和治疗带来了崭新的前景，为我们更深入地理解肝脏的功能、疾病和治疗提供了创新的工具和途径，并有望推动基础医学的成果更好的向临床医学实践转化。

通过模拟人体器官的功能和结构，结合精确的控制和监测，在实验室环境中模拟了肝脏的关键功能。该项技术的出现不仅减少了对动物实验的依赖，同时为药物开发、疾病研究和个性化医疗提供了新的途径。在肝脏移植领域，随着器官移植需求的不断增加，肝脏类器官可以作为潜在的替代方法，为等待器官移植的患者提供一种临时性的生命支持，而用于研究器官排斥反应和免疫调节，则为提高器官移植成功率提供新的可能。

胰腺癌类器官芯片研究现状及展望



教授、主任医师、博导，现任南京医科大学第一附属医院副院长、胰腺中心主任、普外科副主任。美国胰腺协会会员、国际胰腺病学协会会员，美国JohnsHopkins Hospital, Barnes-Jewish Hospital及密苏里大学哥伦比亚分校访问学者蒋奎荣做“胰腺癌类器官芯片研究现状及展望”主题报告

胰腺癌是消化道常见恶性肿瘤之一，在肿瘤领域素有“癌症之王”的称号。据柳叶刀杂志记载，胰腺癌确诊后的五年生存率约10%，是预后最差的恶性肿瘤之一。寻找针对特定患者寻找可能更有效治疗方案的精准医学途径，在胰腺癌诊疗中尤为迫切。

教授、主任医师、博导，现任南京医科大学第一附属医院副院长、胰腺中心主任、普外科副主任。美国胰腺协会会员、国际胰腺病学协会会员，美国JohnsHopkins Hospital, Barnes-Jewish Hospital及密苏里大学哥伦比亚分校访问学者蒋奎荣指出患者源性类器官（PDO）药物分型是临床治疗反应的预测性生物标志物，也是类器官与器官芯片在胰腺癌中应用的新兴平台。

报告中总结了最新的文献进展，以及胰腺癌类器官及器官芯片等新兴的体外生物模型在此领域内的作用逐渐得到广泛认可。未来，类器官与器官芯片系统将在胰腺癌化疗药物的筛选和方案的制定上具有重要指导意义。

结直肠癌类器官研究体系建设与临床转化应用



主任中医师、教授、博导、江苏省名中医、中华中医药学会肛肠分会副会长、江苏省中医药学会肛肠专业委员会主任委员樊志敏做“结直肠癌类器官研究体系建设与临床转化应用”主题报告


类器官与器官芯片技术作为一种优良的人类疾病研究的临床前模型与临床治疗的新手段，在全球范围内备受关注。

主任中医师、教授、博导、江苏省名中医、中华中医药学会肛肠分会副会长、江苏省中医药学会肛肠专业委员会主任委员樊志敏在报告中提到，南京市中医院研究团队已构建了结直肠腺瘤类器官库与结直肠癌类器官库，类器官冻存样本已达100余例，并围绕类器官和器官芯片开展一系列临床转化研究。

以类器官与器官芯片为核心建立的类器官库，在精准医疗方面，可以为患者提供个性化治疗方案，并提升用药精准性；在肠癌早期防治方面，深度挖掘肠癌早期预测标志，对早期肠肿瘤检测结果提供更多评判依据。

肺癌类器官构建及临床转化研究



江苏省肿瘤医院副院长，研究员、教授、博导，江苏省恶性肿瘤分子生物学及转化医学重点实验室副主任，江苏省杰出青年基金获得者尹荣做“肺癌类器官构建及临床转化研究”主题报告

肺癌是起源于肺部支气管黏膜或腺体的恶性肿瘤，发病率和死亡率增长最快，对人群健康和生命威胁最大的恶性肿瘤之一。然而肺癌异质性强，临床诊疗不佳。

江苏省肿瘤医院副院长，研究员、教授、博导，江苏省恶性肿瘤分子生物学及转化医学重点实验室副主任，江苏省杰出青年基金获得者尹荣在MPS 2023器官芯片与精准医学分论坛现场的报告中展现了目前项目组利用类器官与器官芯片对肺癌相关研究做出的努力与成果。

项目组通过建立类器官模型和器官芯片药筛试验平台动态模拟临床治疗全过程，发现肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）介导“机械物理屏障”抑制T细胞浸润是肿瘤免疫逃逸重要环节。进一步研究发现，微环境CAFs调控肺腺癌摄取氨基酸“成瘾”促进肺癌恶性进展，并且能够维持EGFR-TKI诱导的持久耐药状态，上述研究揭示微环境CAFs助力肺癌治疗抵抗。

为逼真模拟肿瘤微环境，CAFs-类器官共培养体系利用器官芯片被开发出来，发现其更能准确反映实际临床疗效。此外，基于细胞游离DNA（cf DNA）多组学片段特征建模在肺癌诊断及复发预警中表现稳定，因此我们拟通过类器官药敏实验、拟合片段组学特征建模，利用机器学习建立个体化肺癌疗效预判体系，提高肺癌临床诊疗水准。

作为一家专注于人体器官芯片及生命科学设备研发与生产的创新科技公司，艾玮得生物深度挖掘临床应用需求，坚持提升产品与服务品质，搭建高层次研发与医学团队，致力于助力科研成果的转化和医学事业的发展。

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队长是我

新型3D人体细胞模型揭示免疫细胞在阿尔茨海默病中的作用

研究背景和目标

阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease，AD）是一种与认知衰退（Cognitive Decline）有关的疾病，主要是由于神经元开始死亡造成的。这一过程可能是由大脑内异常的免疫反应和由于淀粉样β沉积（Amyloid Beta Deposits）和Tau蛋白缠结（Tau Tangles）触发的过度炎症引起的。特别是T细胞等大脑外的免疫细胞能进入大脑，加剧AD的病理变化，但该过程的研究一直面临困难。
新型3D模型的创建与应用

最近，位于马萨诸塞州总医院的研究团队开发了一种新型的人体3D细胞模型，该模型能模拟大脑细胞与这些“侵入者”免疫细胞之间的复杂相互作用。这项研究已在 Nature Neuroscience《自然神经科学》杂志上发表。该模型由干细胞来源的神经元、星形胶质细胞（Astrocytes）和微胶质细胞（Microglia）以及外周免疫细胞组成。
关键发现和未来方向

研究团队利用这一模型证明，随着阿尔茨海默病病理在大脑中的积累，特定类型的免疫细胞——CT8+ T细胞会涌入大脑，并放大由神经炎症（Neuroinflammation）引起的破坏。该团队还识别了推动T细胞浸润大脑的分子机制，并显示阻断这些机制可以减少T细胞浸润的破坏性影响。
研究团队还观察到了AD大脑模型中T细胞水平的提高，并确定了一个在调节T细胞浸润中起关键作用的化因子（Chemokine，CXCL10）和化因子受体（Chemokine Receptor，CXCR3）之间的通路。阻断这一通路在很大程度上阻止了AD培养物中的T细胞浸润和神经退行性变。
这些发现可能有助于识别新的治疗目标，以减缓或阻止T细胞进入阿尔茨海默病患者大脑，并可能减少该疾病对认知的毁灭性影响。
技术与合作

该研究的成功得益于尖端的微流控技术（Microfluidic Technology），这种技术让研究人员能够在3D细胞培养中观察到侵入性外周免疫细胞的行为，以及它们与大脑细胞的相互作用和对神经炎症及神经退行性变的影响。
通过这一多学科研究方法，研究人员识别了该疾病环境下不同细胞类型的不同行为，并希望能揭示其潜在的机制，以找到更有效的治疗手段。研究还指出，T细胞上可能存在新的药物靶点，尤其是因为传统上难以将药物引入大脑，因此这为新型治疗提供了更易于访问的目标。这一模型将持续用于实验，以识别更多的治疗目标。
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在 3D 人类神经免疫轴模型中，浸润 CD8 + T 细胞会加剧阿尔茨海默氏病病理

摘要

外周免疫细胞的大脑浸润及其与大脑驻留细胞的相互作用可能会导致阿尔茨海默病（AD）病理学。为了检查这些相互作用，在本研究中，开发了三维人类神经免疫轴模型，包括干细胞源性神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞以及外周免疫细胞。观察到相对于对照培养物，选择性浸润到 AD 中的 T 细胞（但不是 B 细胞）和单核细胞的数量有所增加。 CD8+T 细胞浸润到 AD 培养物中会导致小胶质细胞活化、神经炎症和神经变性增加。使用单细胞 RNA 测序，发现 T 细胞浸润到 AD 培养物中会导致神经胶质细胞中干扰素-γ 和神经炎症途径的诱导。发现 C-X-C 基序趋化因子配体 10 (CXCL10) 及其受体 CXCR3 在调节 AD 培养物中 T 细胞浸润和神经元损伤中发挥着关键作用。这种人类神经免疫轴模型是研究外周免疫细胞在脑部疾病中的作用的有用工具。














<hr/>Reference:

• Mehdi Jorfi, Joseph Park, Clare K. Hall, Chih-Chung Jerry Lin, Meng Chen, Djuna von Maydell, Jane M. Kruskop, Byunghoon Kang, Younjung Choi, Dmitry Prokopenko, Daniel Irimia, Doo Yeon Kim, Rudolph E. Tanzi. Infiltrating CD8+ T cells exacerbate Alzheimer’s disease pathology in a 3D human neuroimmune axis model. Nature Neuroscience, 2023
  

大力水手

一、引言
细胞迁移在发育、免疫、伤口愈合和癌症转移等生理过程中发挥关键作用。随着微流控技术的发展，其对细胞迁移机制研究做出了重要贡献。近日，中国科学院深圳先进技术研究院巫建东研究院团队在lab on a Chip上发表了题为《Recent advances in microfluidics-based cell migration research》的综述文章，从可能对微流控细胞迁移技术领域未来发展产生重大影响的几个方面综述了基于微流体的细胞迁移研究进展。
二、宿主-病原体相互作用研究
研究宿主-病原体相互作用对认识传染病及其治疗和预防具有重要意义。作者首先综述了几款用于研究宿主病原体相互作用的微流控装置，如Delincé等人开发的用于研究D. discoideum和两种细菌病原体K.pneumoniae和M. marinum相互作用的InfectChip（图1 A）。其次包括Irimia等人开发的用于探索中性粒细胞-微生物相互作用的微流体工具，如2019年开发的用于研究纯化中性粒细胞和两种细菌病原体（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）之间相互作用的装置（图1 B）以及另外一种用于研究生长中的菌丝遇到中性粒细胞时的变化的装置（图1 C）。



图1 研究宿主-病原体相互作用的微流控共培养模型。A)夹层微室阵列装置，用于研究盘谷霉与细菌病原体的相互作用。B)集成在微流体通道中的微室分析，以研究中性粒细胞和细菌的相互作用。小的连接通道用于细菌和化学物质的装载以及中性粒细胞的趋化。C)研究中性粒细胞-菌丝相互作用的循环微流控装置。

三、时空化学场操控
化学梯度的时空分布对许多生物过程至关重要，如影响细胞应答，包括细胞迁移、信号传导和分化等。空间操作如对流流动、被动扩散和基于液滴的微流体和时间操作如流量切换、集成微阀/泵和单靠液滴操作在模拟实际细胞外微环境方面仍有局限性。作者介绍了一些近年来操控时空化学梯度的装置，如Song等人开发的通过时空刺激产生动态化学梯度并观察哺乳动物细胞的细胞应答和迁移的装置（图2 A）以及Yang等人创造的一种双对接微流控芯片(D2-chip)，该芯片能够实现双区域细胞对齐和多区域梯度生成，从而可以测试偏置随机漫步模型和中性粒细胞趋化迁移的记忆效应(图2 B)。此外，Huang等人开发的一种声流控梯度发生器，可以基于微通道内振荡的锋利边缘结构对化学梯度进行时空操纵，通过调整压电换能器的输入信号(电压、驱动时间和频率)来改变梯度(图2 C)。McMinn等人将两个现有的微流控平台LumeNext和Stacks结合起来，产生了一个时空可控LENS (LumENextStacks)平台，用于研究原发性人中性粒细胞的跨内皮迁移(TEM)(图2 D)。Qasaimeh等人利用微流体四极杆产生了“浮动”的IL-8浓度梯度，并测试了中性粒细胞在陡峭的固定和移动梯度下的迁移该系统包括一个具有4个孔的对称四极结构的MFP和一个用于播种中性粒细胞的培养皿(图2 E)。



图2 可以对化学场进行时空操控的微流控装置。A)通过调节不同入口的流量产生时空化学场的微流控平台B)用于研究中性粒细胞趋化性和记忆效应的双对接微流控芯片C)一种声流化化学梯度发生器D) LENS平台用于调查中性粒细胞转运E)开放空间微流控系统由MFP和培养皿组成;浮动梯度建立在微流控四极杆内

四、微流控器官芯片模型
作者从肿瘤转移和白细胞跨内皮细胞迁移两个角度概述了目前的微流控器官芯片研究进展。微流控平台可以实现实时观察肿瘤细胞的迁移，Aleman和Skardal提出了一个多器官芯片转移平台观察肿瘤细胞的器官迁移情况（图3 A）。Song等人开发的微流态血管系统可以用于研究乳腺癌和内皮细胞的相互作用（图3 B）。Saha等人创建了一种卵巢肿瘤微环境芯片(OTME-Chip)，该芯片用于研究血小板通过内皮外渗进入肿瘤微环境后癌细胞的侵袭(图3 C)。除此之外，也有关注肿瘤外渗过程的微流控装置，如Song等人的建立了人体微血管的微流体模型(图3 D)，他们发现，缺氧处理的乳腺细胞获得了一种类似于癌细胞的侵袭表型，与常氧处理的细胞相比，外渗率增加，这表明缺氧是肿瘤细胞转移的一个重要因素。



图3 器官芯片转移模型。A)多位点转移芯片微生理系统。B)用于研究转移性乳腺癌细胞血管内粘附的微流体装置。C)评估血小板外渗后果的人类肿瘤微环境芯片。D)建立三维微血管网络模型，研究缺氧对三凝胶通道乳腺细胞系外渗电位的影响。

白细胞迁移在免疫监测和病原体清除中起着重要作用。用于研究白细胞迁移的器官芯片平台通常由由中央凝胶室/通道分隔的侧通道组成。2012年，Han等首次开发了炎症反应的微流体模型，通过该模型可以定量测量中性粒细胞的迁移(图4 A)。2015年，Wu等提出了一种不同的微流体设计，该设计由两个侧通道组成，一个底部通道由中央凝胶室分隔(图4 B)用培养基或化学引诱剂填充侧通道以产生梯度;将EC播种到底部通道，使凝胶侧壁形成EC层。最后，中性粒细胞被装入底部通道，发生迁移。最近，Ingram等设计了一个微血管模型，它由一个有4个端口的培养腔组成(1个入口，1个出口和2个侧端口)(图4 C)。Ren等人开发了一种人皮肤芯片模型，用于研究在模拟皮肤炎症的可控化学梯度下的T细胞转运和药物反应(图4 D)。



图4 器官芯片模型的白细胞透射电镜。A)用于研究中性粒细胞TEM的炎症芯片装置。B)中性粒细胞透射电镜微流控装置。C) LumeNext微流控设备，可实现微容器建模，包括一个4端口的培养室，悬挂PDMS棒，水凝胶基质形成后移除。D)用于研究T细胞迁移的芯片上皮肤微流控模型，由四个独立单元组成。

五、深度学习
由于方法和仪器的进步，在微流控装置中进行高通量细胞迁移实验已经成为可能。然而，如何分析大量的图像数据是一个新兴的问题。深度学习是一种基于神经网络结构的机器学习方法，在解决微观细胞分析中的问题方面显示出很大的潜力。作者介绍了深度学习方法应用于细胞分割和细胞跟踪的最新进展(表1)。



表1 在微观细胞图像分析中用于细胞分割和跟踪任务的代表性深度学习算法

六、总结
近十年来，应用微流控技术研究细胞迁移的领域进入了一个较为成熟的时代。在本文中，作者综述了该领域的最新进展，包括揭示细胞迁移指导机制的时空化学场生成的新策略、面向应用的宿主-病原体相互作用和器官芯片迁移模型，以及处理不断增长的细胞迁移数据的复杂AI深度学习算法。
七、参考文献
Ren J, Wang N, Guo P, Fan Y, Lin F, Wu J. Recent advances in microfluidics-based cell migration research. Lab Chip. 2022 Aug 22. doi: 10.1039/d2lc00397j.