微流控芯片：微流控的生物医学应用

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微流控(MFs)设备的设计和开发的最新进展使得将传统的生物化学实验室小型化为微通道网络系统成为可能，该系统已成为一种高效且低成本的工具。生物医学微型设备包括由许多微米和纳米尺寸的集成设备组成的集成结构，从粒子操纵到传感的许多过程都在平台中进行。微流控在生物医学科学中最有前景的应用之一是疾病诊断，包括癌症诊断和传染病诊断。然而，微制造的进一步发展是在疾病建模中使用微流控设备。这篇文章讨论了微流控系统的生物医学应用。
诊断中的微流控技术
1.癌症检测
癌症可发生在任何组织中，是世界上最常见、最致命的疾病之一。及时诊断癌症的重要性是无可争议的。如今,断层扫描、磁共振成像和计算机断层扫描等方法被用于癌症诊断和分期。癌症的诊断和治疗需要新的方法，因为以上这些方法需要患者暴露于高剂量的辐射中，而且后续需要采用化学治疗。微流控技术涉及小型化设备和精确分析技术，在细胞培养、药物输送、DNA扩增和护理点(POC)等生物医学应用方面很有前景。癌症治疗中使用的化学疗法通常会导致许多副作用。可以通过将成像或定位剂附着在纳米颗粒上，来实现治疗和诊断。以这种方式用于此目的的微流控系统包括治疗纳米颗粒。Theranostic纳米颗粒可用于监测药物递送、药物释放、疗效、癌症分期的确定以及适当剂量下药物递送的中介。载有化疗药物的纳米颗粒载体在将药物输送到靶标位置时引起的全身毒性最小。例如，荧光5-氨基乙酰丙酸壳聚糖纳米颗粒与海藻酸盐结合并与叶酸结合，被用于大肠癌癌症细胞的内窥镜检测。这些纳米颗粒通过叶酸受体进入肿瘤细胞，与溶酶体释放的 5-氨基乙酰丙酸一起在细胞中积累原卟啉IX，因此被证明是检测的理想载体。Ryu等人证明，在三种小鼠模型中，与乙二醇壳聚糖纳米颗粒表面偶联的组织蛋白酶B敏感荧光肽探针可以过滤健康细胞中的癌症转移细胞。另一项研究工作包括在体外和体内研究中使用透明质酸、氧化铁和高喜树碱纳米颗粒治疗人类鳞状细胞癌。Baghbani等人表明，超声介导的多柔比星负载海藻酸盐稳定的全氟己烷纳米液滴治疗使得癌症小鼠的肿瘤消退。
微流控系统也用于标定癌症生物标志物，如CTC、ctDNA、外泌体、ncRNA和各种细胞代谢产物或蛋白质。此外，常规测量癌症患者少量液体样本中的生物标志物有助于个性化医疗。由于CTC主要表达上皮细胞粘附分子，因此使用CTC芯片上的抗体从血液中进行选择。随着微流控技术的发展，该系统增加了去毛刺、惯性聚焦和磁选步骤，命名为CTC-iChip。Ganesh等人设计了另一种基于Zn0电极和pH传感器的微流控芯片，用于分离CTC。单片CTCiChip使用细胞角蛋白、HER2和前列腺特异性抗原等表位来区分CTC。在微流控的蛋白质印迹中，用八丛蛋白板对患者来源的CTC的表达进行了分析。CTC膜蛋白图谱中使用的适体纳米载体通过多光谱正交表面增强拉曼光谱分析鉴定了不同的癌症亚群。
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2心血管疾病检测
心血管疾病(CVD)，如中风、冠状动脉和高血压，是由心脏及其相关血管的功能障碍引起的。心血管疾病是人类社会中导致人类过早死亡的主要原因。社会、环境、心脏代谢和行为风险因素是CVD的一些主要决定因素。然而，由于氧化应激的诱导会导致生物反应和活性氧(ROS)的变化。CVD的诊断对于降低死亡率至关重要，目前临床上应用了几种基于生物标志物或分子成像(MOI)的检测技术。然而，为了建立有效的诊断系统，有必要提高当前心血管疾病早期检测诊断的准确性、敏感性和特异性。微流控诊断平台具有便携性、快速响应分析和低试剂使用率等优点,可用于检测CVD生物标志物。为此,用特定的抗原修饰微通道，以确定CVD相关的生物标志物，并进行了多项研究。许多血源性生物标志物，如心肌肌钙蛋白I(cTnI)、纤维蛋白原和C反应蛋白(CRP)与心血管疾病有关。然而，目前用于诊断的测定方法成本高、时间效率低，并且容易发生批次间的变化。Sinha等人构建了一种便携式微流控设备，集成了适体探针和基于场效应晶体管(FET)的传感器阵列。所提出的装置可以在5分钟内从小体积的临床样本中识别出四种与心血管疾病相关的生物标志物,如CRP、cTnI、纤维蛋白原和N-末端脑钠肽前体(Nt-proBNP)，并为新型心血管疾病POCT 提供了有利的结果。心力衰竭(HF)是一种常见的CVD，血液中NT-proBNP水平的变化与HF的诊断有关。然而，目前的临床CVD检测方法不够精确，无法根据NT-proBNP生物标志物的一个单一截止值来评估HF的严重程度和进展，而该生物标志物长时间的上升可能是HF 的信号。
因此，NT-proBNP的POC监测对预防HF至关重要。例如，Beck等人开发了一种微流控生物传感器芯片，通过修饰银纳米粒子(AgNPs)作为标记来确定NT-proBNP水平的变化。为此，在检测抗体修饰的AgNPs时，通过流动注射分析(FIA)将层流分析(LFA)和电化学分析相结合。所开发的生物传感器允许在家中使用简单的手指点刺来精确检测NT-proBNP。急性心肌梗死(AMI)是一种广泛发生的心血管疾病，危及生命，有时诊断起来很困难，因为其症状可能与其他疾病混淆。因此，Yin等人展示了一种蜗牛形微流控平台，用于检测肌红蛋白(Myo)、cTnI和肌酸激酶MB(CK-MB)生物标志物，用于诊断AMI。他们利用化学发光(CL)检测器设计了一种微流控芯片，并在芯片的中间进行涂层，该芯片具有基于特定抗体的反应层。因此，他们获得了一种POCT候选物，该候选物能够在短时间内以更高的灵敏度诊断三种 AMI相关生物标志物。
3呼吸道感染检测(SARS-CoV-2)
新型冠状病毒疾病(新冠肺炎)于2019年末首次报告，在发现后约一年内导致全球 6600多万人感染。严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型是一种核糖核酸病毒，可以通过呼吸在个体之间快速传播，并在鼻腔、咽部和下呼吸道等特定区域发展。控制严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型传播的重要阶段之一是早期诊断。因此，研究人员一直在努力寻找一种快速、廉价、便携、灵敏的检测替代品。在整个大流行期间，基于微流控的检测策略已被广泛开发用于新冠肺炎疾病的定点检测。这些策略可以根据微流控设备中的检测机制进行分类:抗原检测、抗严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型抗体检测和核酸检测。在另一项研究中，Ho等人设计了一种一次性护理点数字微流控盒，通过实时定量聚合酶链式反应(qPCR)检测严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型中的N基因。根据这项研究，DMF试剂盒显示出均匀的液滴形成、均匀的温度控制和合适的荧光读数，从而能够进行qPCRPOC 测试。
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