從血細(xì)胞中分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞的“聲鉗”

在生物、化學(xué)、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)流體進(jìn)行操作，如樣品DNA的制備、液相色譜、PCR反應(yīng)、電泳檢測(cè)等操作都是在液相環(huán)境中進(jìn)行。因此，顧名思義，“微流體”即指實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)量級(jí)從毫升、微升級(jí)降至納升或皮升級(jí)的流體。

微流體概念自從20世紀(jì)80年代（1980s）被提出以后，就已經(jīng)在物理、化學(xué)、生物化學(xué)、納米技術(shù)以及生物技術(shù)等多學(xué)科工程產(chǎn)生巨大影響，且將在生物醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域繼續(xù)擴(kuò)大范圍和下游相關(guān)的應(yīng)用程序。例如，多路復(fù)用、自動(dòng)化和高通量篩選等生物醫(yī)學(xué)和研究應(yīng)用過程。

微流體依賴于約束在某種類型的小型設(shè)備（small-scale device）上精確液體的控制和操縱。如果要將樣品制備、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)等步驟集成到生物芯片上，這時(shí)功能強(qiáng)大的微流體裝置就顯得必不可少了。

該設(shè)備被稱為“微流控芯片”，是利用常規(guī)的平面加工工藝（光刻、腐蝕等）在硅、玻璃上制作的，或是在有機(jī)材料上印制、成型出微結(jié)構(gòu)的“軟光刻”微加工方法而成。

微流控分析芯片最初在美國(guó)被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”（lab-on-a-chip），在歐洲被稱為“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），它是微流控技術(shù)（Microfluidics）實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)，可以把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動(dòng)完成分析全過程。在“微流控芯片”系統(tǒng)上，有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應(yīng)速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點(diǎn)。

微流控技術(shù)的一些比較知名的應(yīng)用包括：噴墨打印頭（inkjet printheads）、芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)（lab-on-a-chip systems）、毒素或病原體的生物傳感器（biosensors）。

7月11日-12日，微流控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用論壇在費(fèi)城（Philadelphia）召開，GEN期刊采訪了數(shù)位研究不同種類技術(shù)微流控技術(shù)的專家。

1）“聲鉗”微流體，CTC分離和檢測(cè)的“好幫手”

來自賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Tony Jun Huang發(fā)明了一種叫做“聲鉗”的裝置（見文章首圖），是利用超聲波在特定的容器或反應(yīng)腔內(nèi)對(duì)目標(biāo)樣品（生物粒子或細(xì)胞等）進(jìn)行分離、捕獲等操縱的技術(shù)。

Huang教授表示，微聲的流體系統(tǒng)功率強(qiáng)度和頻率保持在生物相容的范圍內(nèi)。從本質(zhì)上講，聲學(xué)處理過程不改變細(xì)胞的屬性。聲光射流的能量密度用于超聲成像對(duì)妊娠試驗(yàn)非常相似，這已被證明是絕對(duì)安全的。

事實(shí)上，這種技術(shù)是如此的生物溫和，可以用來轉(zhuǎn)移蛋白質(zhì)、高分子量DNA和活細(xì)胞，且具有無損傷或損失的可行性。這使得它適合于各種各樣的應(yīng)用，包括蛋白質(zhì)組學(xué)和基于細(xì)胞的檢測(cè)。“聲鉗”微流體（Acousto fluidics）能夠在一個(gè)手機(jī)大小的廉價(jià)設(shè)備上提供高精度、高通量、高效的細(xì)胞/顆粒/流體操縱。

Huang教授開發(fā)的這款裝置的重要下游應(yīng)用之一是對(duì)腫瘤患者體內(nèi)的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）的分離和檢測(cè)。在他看來，這種技術(shù)非常適合于需要進(jìn)行基因型分析的稀有細(xì)胞的分離和檢測(cè)。

2）雙毛細(xì)管微流體

David Juncker博士是麥克吉爾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的助理教授，他主要專注于雙毛細(xì)管微流體的研究。他開發(fā)的于雙毛細(xì)管微流體可用于免疫測(cè)定和細(xì)菌檢測(cè)快速成型。尤其是，他將毛細(xì)管流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的親水性材料（主要是硅芯片）與蝕刻微通道的設(shè)計(jì)控制流程形成的復(fù)雜電路，能夠引入更加復(fù)雜的流體功能。

雙毛細(xì)管微流體的下游應(yīng)用包括尿路感染心臟病和細(xì)菌檢測(cè)免疫（UTI）。根據(jù)David Juncker介紹，在UTI中大腸桿菌細(xì)菌試驗(yàn)只需要大約七分鐘，遠(yuǎn)低于與傳統(tǒng)的數(shù)小時(shí)甚至一天的培養(yǎng)與測(cè)定時(shí)間。

他將其細(xì)菌快速檢測(cè)過程中的3D打印稱作“學(xué)生的變革”，因?yàn)橹恍璋胄r(shí)到1小時(shí)的時(shí)間，即可快速設(shè)計(jì)和合成所需原型。因此，學(xué)生使用起來很上手，盡管這種過程會(huì)遇到復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)障礙。他的團(tuán)隊(duì)結(jié)合了生物材料、能量和流體流動(dòng)的專業(yè)知識(shí)以及免疫學(xué)和微生物學(xué)的生物學(xué)方面的知識(shí)。

Juncker教授和他的同事們還是發(fā)表論文的多產(chǎn)者，自2013以來，在眾多期刊中發(fā)表了超過21篇發(fā)表的論文。他們還計(jì)劃向前邁進(jìn)，讓DNA測(cè)試作為其研究的另一個(gè)應(yīng)用。

3）紙基微流控芯片

科羅拉多州大學(xué)Henry Group 項(xiàng)目的領(lǐng)銜者、化學(xué)教授Charles Henry博士表示：紙基微流控紙芯片(paper-based microfluidic analytical devices，μPADs)是一種新興的微流控分析技術(shù)平臺(tái)，具有成本低、加工簡(jiǎn)易、使用和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷、食品質(zhì)量控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。它用紙張作為基底替代硅、玻璃、高聚物等材料，這種分析器件被稱為紙上微型實(shí)驗(yàn)室，也稱微流控紙分析器件。

在Henry教授看來，紙基微流控芯片在臨床診斷上的應(yīng)用集中在肽核酸的比色檢測(cè)中，使用紙基微流控芯片的檢測(cè)速度遠(yuǎn)高于細(xì)菌和病毒檢測(cè)。此外，他們實(shí)驗(yàn)室基于“紙基微流控芯片”開發(fā)了一種環(huán)境中PM2.5暴露情況的診斷。

4）液滴微流控系統(tǒng)

液滴微流控系統(tǒng)（Droplet microfluidics，也稱“微流控液滴”）是微流控芯片領(lǐng)域的一個(gè)新的分支，可被廣泛應(yīng)用于液滴微反應(yīng)器、藥物輸運(yùn)和釋放、單細(xì)胞包裹分析、基于液滴的數(shù)字化PCR、組織工程、診斷成像等，微液滴技術(shù)在商業(yè)上應(yīng)用最為成功的例子要數(shù)噴墨打印機(jī)，可以極大減少用墨量的同時(shí)提高了打印的質(zhì)量。

來自加拿大滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）機(jī)械與機(jī)電工程系芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)主任Carolyn Ren教授表示，她的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估了氣-液系統(tǒng)，以及依賴于兩種不混溶液體的系統(tǒng)。結(jié)果表示：液滴生成基本的轉(zhuǎn)運(yùn)、捕捉和分類現(xiàn)象，以不同的幾何形狀的生成物理模型和液滴分選區(qū)。

在她進(jìn)行的試驗(yàn)中，與傳統(tǒng)的板式法相比，其設(shè)計(jì)的液滴微流控系統(tǒng)的容量是前者的1/1000。該技術(shù)平臺(tái)可應(yīng)用于藥物篩選，DNA檢測(cè)和蛋白質(zhì)的結(jié)晶等其他應(yīng)用。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)也采用了電傳感機(jī)制，如電容和微波傳感。

微流體生物芯片目前受到極大的重視。微流體芯片，又被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”（Lab-on-a-chip）。生物芯片更被視為是后基因時(shí)代（Post-Genome Era）用來解讀基因序列之重要工具。

微流控系統(tǒng)可對(duì)微量流體（包括液體和氣體）進(jìn)行復(fù)雜、精確的操作，如：混合和分離微量流體、化學(xué)反應(yīng)、微量分析等等。微流體芯片還可以在稀有細(xì)胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測(cè)序、單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶等方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。

由于微流體生物芯片具有體積輕巧、使用樣品/試劑量少、反應(yīng)速度快、大量平行處理及可拋棄式等優(yōu)點(diǎn)，因此在生物技術(shù)研究上的應(yīng)用范圍非常廣泛。

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