GEN：展望微流控芯片在生命科学领域的应用

　　微流控技术，也被称作“芯片实验室”（LOAC），在欧洲被称为“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），它是微流控技术（Microfluidics）实现的主要平台，可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。

　　从1990年Manz等人首次提出了微型全分析系统的概念，到2003年Forbes杂志将微流控技术评为影响人类未来15件最重要的发明之一，微流控技术得到了飞速的发展，其中的微流控芯片技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在生物、化学、医药等领域都发挥着巨大的作用，成为科学家手中流动的“ 芯”。

图片摘自科技创新中心

　　根据GEN的报道，近几年来，基于微流控技术的技术报道和科学研究越来越多（下图）。

微流控发展速度以生命科学发表论文计算（每年的复合增长率为5%）/p>

　　（一）微流控芯片在核酸分析中的研究

　　微流控芯片技术显示了强大的核酸研究功能，可将核酸提取、聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）扩增、分子杂交、电泳分离和检测单一或集成地转移到微流控芯片上完成，因此，适合于其所涉及的各个应用领域，如临床基因诊断，遗传学分析和法医鉴定等。

　　NO.1 PCR

　　采用微流控芯片技术用于PCR扩增及相关检测可简化操作步骤及显著提高检测效率。芯片PCR扩增主要形式包括连续流PCR芯片和静态式PCR芯片，前者依靠生物样品通过3个不同的温度区域而实现扩增，后者基于静态反应，通过反应池内温度的周期性变化实现扩增。一种集成的静态式PCR芯片可完成核酸扩增及短串联重复序列(short tandem repeat，STR)检测，用于法医鉴定。Nagatani等利用连续流PCR芯片在20 min内完成了流感病毒RNA的扩增及实时检测。Jiang等利用连续流PCR芯片实现对大气中6种常见的病原微生物的捕获、富集及高通基因快速检测。微流控振荡流PCR芯片具备连续流及静态式PCR特点，在1 h左右扩增伤寒沙门菌DNA，反应试剂量只有常规PCR的25%

　　NO.2 基因突变检测

　　基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变，检测方法包括单链构象多态性分析(single–strand conformation polymorphism，SSCP)，异源双链分析法(heteroduplex analysis，HA)，等位基因特异性寡核苷酸分析法(allele specific oligonucleotide，ASO)等。

　　NO.3 基因分型检测

　　基因分型是多基因复杂性状疾病的遗传易感性研究的重要技术手段之一，也是微流控芯片核酸研究的主要内容。微流控芯片毛细管电泳成功地检测了华法林敏感基因型（CYP2C9*2, CYP2C9*3和VKORC1）并在90 min内实现了12个样本的测试。微流控芯片结合重复序列PCR及高分辨率熔解曲线技术（high resolution melting, HRM）在10 min左右实现了8个样本的多个位点基因型的准确分析，显示此技术在大规模人群基因分型和多态性研究中的重要应用前景。

　　NO.4 DNA测序

　　微流控芯片DNA测序以芯片电泳分离为基础，将测序的过程集成在一块芯片上，以达到高通量、集成化和微型化的目的。一款液滴微流控芯片用于对未知DNA序列进行测序，具有快速、高通量及低成本的特点。数字PCR芯片系统检测人及细菌5 ng DNA，并构建新一代测序库，与参考基因库对比，准确率大于99%

微流控技术可应用的领域

　　（二）微流控芯片在蛋白质研究中的应用

　　蛋白质是生命的物质基础，对蛋白质结构和功能分析可以了解机体在生理或病理条件下的变化机制。自20世纪90年代以来，微流控芯片技术作为蛋白质组学研究平台的优越性也日趋显著。血脂分析对于临床高脂血症的诊断及动脉粥样硬化性心血管病的危险评估和防治具有重要意义。本课题组利用自制的微流控芯片结合激光诱导荧光系统实现了低密度脂蛋白（low–density lipoprotein，LDL）亚型的检测，将血清小而密低密度脂蛋白（small, dense low–density lipoprotein，sdLDL）的检测时间由传统方法的十几个小时缩短至几分钟内，并对其临床应用价值进行了初步探讨。

　　（三）微流控芯片在细胞研究中的应用

　　微流控芯片已成为新一代细胞研究极其重要的平台。芯片多种单元技术的灵活组合使集成化的细胞研究成为可能，如细胞培养、分选、裂解和分离检测等过程都可在芯片上完成。

　　（四）微流控芯片在生命科学领域的应用展望

　　生物标志物对疾病诊断、病情监测及疗效观察起着至关重要的作用。目前，虽有一部分生物标记物已用于临床常规检测，但其在待发现的生物标志物中仅占很小的比例。在微流控芯片方面，样品富集效率、多通道检测、报告系统灵敏度等是影响其临床应用的关键因素。

　　微流控芯片具有强大的商业潜力，作为一种革命性的技术平台，其市场前景显然是极其巨大的。可以用于各个分析领域，如生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域。

　　最近几年微流控芯片取得了突破性进展，引起产业界的极大关注。目前已涌现出一批关健性技术在很大程度上具有不可替代性，并逐渐形成以医学和药学为代表，覆盖面很宽的应用领域，例如最近发展起来的器官芯片、液滴微流控芯片。未来来几年内，如果将微流控芯片与“生物手机”、“互联网+”进一步结合，这样一个由一种新兴技术引发的可能具有全局性影响的趋势，是否能够因此诞生一批“风口”行业值得大家期待。

　　备注：本文部分内容摘自《中华检验医学杂志》2015年38期73-页（节选），作者关明、汪骅、吴文娟。