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微流控芯片與檢測(cè)儀器創(chuàng)新與實(shí)際的應(yīng)用
2021-01-18
微流控芯片技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要前沿方向,具有高通量、多靶點(diǎn)、快速、精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、醫(yī)藥、免疫等領(lǐng)域.近日,復(fù)旦大學(xué)孔繼烈教授就微流控技術(shù)以及其團(tuán)隊(duì)在微流控技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)展做了詳細(xì)報(bào)告.
科學(xué)儀器的源頭是分析化學(xué)專業(yè),但其更多的應(yīng)用在生物醫(yī)藥以及診療等領(lǐng)域.近年來(lái),"精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)"概念的出現(xiàn),更是急切呼喚創(chuàng)新分析測(cè)量技術(shù)與儀器."精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)"的最核心的部分是"精準(zhǔn)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(wú)論是常見(jiàn)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(lái)講,無(wú)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(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械市場(chǎng)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(shè)備.即便在生化水平,即小分子的診斷設(shè)備,國(guó)內(nèi)雖有很多公司在做,但是與世界上先進(jìn)設(shè)備相比,仍有很大的差距.
從學(xué)科角度來(lái)講,微流控技術(shù)衍生于分析化學(xué),而無(wú)論從學(xué)科知識(shí)的構(gòu)成,還是人才培養(yǎng),都是多種相關(guān)學(xué)科交叉的結(jié)果.儀器的產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)系統(tǒng)工程,要集聚非常多的交叉學(xué)科的人才,單純依靠分析化學(xué)或者微流控技術(shù),都不能完成一臺(tái)整體的集成化設(shè)備的制造.因?yàn)檫@還涉及到軟、硬件支持,材料學(xué),多種加工工藝,以及越來(lái)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(xué)、創(chuàng)新診斷方法學(xué)等多方面的共同結(jié)合.
作為高校,要集聚這么多人才進(jìn)行同一個(gè)項(xiàng)目,非常困難.因此,國(guó)家也在鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)平臺(tái),將不同領(lǐng)域的專業(yè)人才聚集起來(lái),共同進(jìn)行儀器的研發(fā)生產(chǎn).目前,孔繼烈教授與他之前指導(dǎo)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(wèn)題,主要包括以下幾個(gè)方面:
1、進(jìn)口多,國(guó)產(chǎn)少.
首先涉及到的很多器件,如光學(xué)器件、光電轉(zhuǎn)換器件等,大部分性能很好的器件多來(lái)自美國(guó)、日本等國(guó)家.因此不單是整機(jī)的技術(shù)缺乏,上游的零部件技術(shù)也很缺乏.從整體來(lái)講,現(xiàn)狀是蛋白質(zhì)、核酸檢測(cè)的二類醫(yī)療器械,無(wú)論是化學(xué)發(fā)光還是電化學(xué)發(fā)光設(shè)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(guò)程中,大部分研究者做的是上游方法學(xué)的研究,雖然很前沿,反映了這個(gè)學(xué)科發(fā)展最新的聚焦點(diǎn),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(gè)裝置,但是沒(méi)有辦法定型,也沒(méi)有辦法做質(zhì)控的標(biāo)準(zhǔn).比如從計(jì)量的角度,這個(gè)產(chǎn)品怎么檢驗(yàn)?怎么能達(dá)標(biāo)?企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),甚至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)全面缺乏.當(dāng)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(shí)候,很多實(shí)驗(yàn)室可以自行搭一臺(tái)裝置.例如最早在實(shí)驗(yàn)室做微流控,用數(shù)字化的光譜儀、光纖和光電檢測(cè)器件組裝而成.但是,這不是一臺(tái)完整的儀器,因?yàn)闊o(wú)法在同一個(gè)軟件中發(fā)送指令進(jìn)行信號(hào)提取、信號(hào)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(cè)儀(原型機(jī))是孔繼烈教授團(tuán)隊(duì)研制的第一代微流控設(shè)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(cè)系統(tǒng)等模塊.研發(fā)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)核酸的提取和擴(kuò)增放在同一個(gè)芯片中完成,這在第一代原型機(jī)還無(wú)法實(shí)現(xiàn).
2017年,孔教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)始第二代產(chǎn)品開(kāi)發(fā),在光路、電路、信號(hào)放大、離心盤的可控性等方面進(jìn)行了優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)檢測(cè)平臺(tái)上做多種需求的靶點(diǎn)數(shù)、樣本數(shù)的檢測(cè),如8個(gè)靶點(diǎn)4個(gè)通道或4個(gè)靶點(diǎn)8個(gè)通道或2個(gè)靶點(diǎn)16個(gè)通道的盤.
第二代設(shè)備叫做核酸檢測(cè)一體機(jī),孔教授團(tuán)隊(duì)正在將一體機(jī)做成三類醫(yī)療器械——將來(lái)可以和醫(yī)院檢驗(yàn)科對(duì)接的設(shè)備,在30分鐘內(nèi)完成樣本前處理,包括細(xì)胞的破碎,DNA的釋放,原位擴(kuò)增及檢測(cè).對(duì)于傳統(tǒng)PCR 檢測(cè)是革命性的突破.
從方法學(xué)的角度來(lái)講,該設(shè)備融合了很多基礎(chǔ)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(dòng)技術(shù)、集成技術(shù)、區(qū)域精準(zhǔn)控溫技術(shù)、高敏熒光檢測(cè)技術(shù)、微流控盤快/慢速切換技術(shù),可實(shí)現(xiàn)多模塊集成工作.
該設(shè)備的應(yīng)用方向十分廣泛,包括公共衛(wèi)生、食品安全、檢驗(yàn)檢疫、以及基于微流控的免疫抗原抗體反應(yīng)等等.已開(kāi)發(fā)的典型的應(yīng)用案例如下:
1、8種不同種屬肉的同時(shí)溯源,特異性和靈敏度非常高.
2、非洲豬瘟特異性檢測(cè),可做到高通量現(xiàn)場(chǎng)快速篩查,靈敏度達(dá)到10個(gè)拷貝.
3、轉(zhuǎn)基因大豆檢測(cè),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(cè),是針對(duì)臨床感染的蛋白質(zhì)指標(biāo)的新型檢測(cè)方式,目前檢測(cè)靈敏度顯著高于傳統(tǒng)同類儀器.
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