微流控芯片技术在临床医学检测中的应用进展

陈榕方，吴雁(通信作者)

天津市泰达医院检验科 (天津 300457)

微流控芯片技术又被称为芯片实验室，该名称的由来是因为微流控芯片技术的应用使从处理样品到结果输出这一过程被充分简化，并且被证实在药品、食物以及临床工作中发挥着较大的作用[1]。微流控芯片技术具有操作高效、自动化、集成化、低消耗等优势，并在捕获循环肿瘤细胞、分离病毒病原体、检测肿瘤标志物等方面的应用效果显著[2]。结合目前的相关研究发现，将微流控芯片技术作为一类商品大规模的引入到医院工作中仍然存在着一定的问题，可能会出现准确度及精确度无法达到标准的情况，使检测结果出现偏差[3]。本研究结合既往工作经验以及操作技术进行了相关研究及整理，重点就微流控芯片技术在临床医学检测中的应用进展进行综述，分别从其概况、技术特点、应用现状等方向展开分析。

1 微流控芯片技术即时检验的概况

微流控芯片本身具有较高的检测灵敏度，在近年来的临床检验工作中被广泛应用，且已经成为即时检验的理想载体，也被当作是当前阶段公认的即时检验的主要发展方向，尤其是在临床检验及分析、DNA分析、蛋白质学组分析以及综合分析等方面的诊断工作中。即时检验是临床医学检验工作中的一种新型发展模式。美国国家临床生化科学院将即时检验定义为一种在患者身边由经过未接受临床实验室学科训练的医务工作者或患者所实施的临床检验工作[4]。即时检验被认为是一种除传统实验室检测外的一切检测，检测结果可现场分析，同时可将报告作为一个能够移动的微型检测系统。在医学诊断效率的提升以及诊断结果的改进方面，即时检验在最初的研究中凸显出了诸多的优势[5]。在较早的研究中已经体现了其在血糖检测以及艾滋病检测领域获得了广泛的应用，并在其他疾病的检测诊断方面也做出了巨大的贡献。

另外，微流控芯片的即时检验装置与中心实验室相比也具有诸多优势，如尺寸规模较小、检测灵活性较高、检测设备不需要过多的投入试剂以及样本使用量、操作方法简单、检测速度较快等。因此，微流控芯片在基层医院以及发展中国家得到良好的应用，比较易于被使用者接受与认可。

2 微流控芯片技术的应用现状

微流控芯片的即时检验技术能够体现出微流控技术的绝大多数特性，且在生物工程、材料、化学等学科被广泛应用。微流控芯片即时检验在临床免疫测定工作中的应用集中体现在细菌病毒以及寄生虫等的相关检测工作中，同时也适用于分子诊断工作中寡核苷酸的测定；此外，微流控芯片的即时检验技术也适用于核酸提取、血液分析以及细胞分析等领域。在各个领域内涉及到的相关研究不仅是一对一的，而且是一对多的，均能够推动微流控芯片的即时检验技术的进步及发展。

与传统检测技术相比，DNA提取工作非常耗费人力、物力及财力，且对操作过程有着严格的要求及限制，如接触到有毒、有害的物质或者试剂时会对检查结果造成误差。而微流控芯片技术可从生物样品细胞中提取核苷酸并将其隔离，为基因分析带来了革命性的改变，因此，被临床作为检测分析DNA的一个科学的方法。微流控芯片技术的操作方法可总结为3步：在离液盐的环境下对DNA进行吸附、将其溶于乙醇后再将杂质清除及对含有缓冲液的DNA进行洗脱。需注意的是，固相提取物需要依靠DNA及固相载体间的结合性能，在对温度、PH值、缓冲液的敏感性进行鉴别时，存在较高的敏感性，因此，在实际操作过程中容易出现DNA片段缺失。相比之下，除去DNA之外的其他细胞溶解物也容易对结合反应的过程造成不良影响。在当前阶段，提取效率通常可保持在60%～90%，故今后还需利用新型的技术进行操作以弥补当前工作中的不足。

微流控芯片技术开始在如刑事科学、环境检测、生物医学、新型药品合成、食品和商品等各个领域被广泛的解析及应用，其中最为热门的是生物医学领域的分析。在当前阶段，微流控芯片技术的主要应用范围涵盖了DNA测序、核酸分理与定量、基因突变以及表达差异分析等。另外，也存在采用微流控芯片技术筛查以及分析蛋白质的相关报道。

3 微流控芯片技术的特点

与传统的生物技术相比，微流控芯片技术在疾病检测及诊断方面表现出质的飞跃，其突出的特点表现在微型化、自动化以及高通量化[6]。微流控芯片技术的开发特点是将生物化学作为研究基础，将微机电加工技术作为最基本的依托，将微管道网络作为结构特征，借助各个工作单元独立执行并完成单一反应或者单元操作，同时能够完成相对较为复杂的工作，由此保证各个芯片成为一个时刻呈现出动态的系统，并能够将分离、化学反应以及检测等全部融入到芯片中，对其加以重复使用，最大程度地保证了该技术的适用范围[7]。微流控芯片技术属于一种通用性较强的DNA芯片，其操作特异性由聚合酶链反应所控制，为此，也可将其作为检测平台，为操作者提供菜单式的服务及可选择的具体临床信息，这也为其未来的发展方向奠定了基础[8]。

4 微流控芯片技术的医学检测应用现状

4.1 聚合酶链反应技术

微流控芯片技术在与聚合酶链反应技术结合后可在短时间内快速地完成扩增工作，一方面可缩小反应体系，提高检测灵敏度，另一方面可缩短反应时间，易于携带，被认为是当前医学检测领域工作中重要的新型技术。曾有研究报道就微流控芯片技术结合聚合酶链反应技术进行了分析，研发出了相对灵活的交替拉推式主动数字化微流控芯片技术，以此保证微空的聚合酶链反应样品数字化率可最大程度的接近100%[9]。该技术的操作原理在于通过利用气动阀门，以周期性的动态化表现对芯片内的气压进行有效调节，由此最大程度地促进真空驱动溶解液分割在微孔中的过程，从而实现小体积溶液的数字化，降低体积的变化。当前微流控PCR芯片的研发及应用更加趋于结构的简单化、功能的集成化以及一次性的发展方向，在其基础上能够完成完整的生物样本分离分析的装置，这在我国当前医学领域中亦得到了相对广泛的应用。

4.2 病原体检测

基于微流控芯片技术的病原体检测在临床医学领域中得到了广泛的应用，并显示出了较高的准确性及灵敏度，所需检测的时间也相对较短。曾有研究[10]针对微流控芯片技术在下一代病原微生物诊断中的应用进行了研究，发现微流控系统可构成无细胞诊断工具，且在应用期间能够与其他应用技术相互结合，进而完成一系列的跟踪及检测病原体等工作，这也为病原体临床检测工作提供了可靠依据。微流控芯片技术在病原体检测方法主要分为细菌检测以及病毒检测两个部分。

4.2.1细菌检测

目前，微流控芯片技术在食源性致病菌的检测工作中被广泛应用，且该技术对食源性致病菌具有较高的敏感性。有研究曾将微流控芯片技术用于检测沙门氏菌、霍乱孤菌、志贺氏菌以及副溶血性孤菌等食品中较为常见的致病菌，结果显示，检测灵敏性及特异性均较高，且检测操作时间较短，操作成本较低[11]。也有报道将微流控芯片技术用于检测引起急性腹泻的病原菌，同样获得了较好的效果[12]。此外，微流控芯片技术用于细菌耐药性的检测工作中也发挥了较强的效果，不仅可对单细胞乃至单细胞器的水平对数百个细胞的耐药性进行分析，也可对单细胞的耐药情况实施监控作用[13]。

4.2.2病毒检测

微流控芯片技术也被广泛应用在病毒检测工作中，结合既往研究经验可见，微流控芯片技术用于乙型肝炎病毒的检测中的效果显著，具有较高的特异性及灵敏度[14]。与传统检测方法相比，微流控芯片技术具有小型化以及简便化的作用，可提高检测工作的效率，在病原体覆盖度上具有较大的优势。

4.3 组织工程检测

微流控芯片技术与材料科学的不断发展及应用推动了体外细胞组织器官的构建，这在一定程度上促进了高效诊断及检测技术的进步。有研究报道了电活性示踪迹取代传统营养示踪剂的新型微流控芯片渗透率的示范方法，其中电化学渗透并不需要借助人工取样以及比较复杂的光学仪器[15]。相关研究发现，不同类型的电活性示踪剂还可被分为3种不同的形态，包括惰性的、高效的及稳态的，且这些不同状态下的示踪剂的应用可对内皮细胞的渗透性进行测量[16]。电化学渗透率测定方法的应用充分结合了示踪剂渗透率的便捷性与芯片集成的高效性，因此发展前景更为广泛。微流控芯片技术的应用还可用于对滋养细胞的超快速的富集操作。曾有临床资料就此展开分析[8，17]，即对新型惯性微流控芯片技术在孕妇全部血样本中的应用进行分析，结果发现该技术能够快速地在单细胞的水平下对未进行标记的富集循环细胞进行分离，并将其用于基因型的鉴定，完成下游免疫荧光染色以及基因分型的分析。此外，此类技术本身操作相对简单，无需抗体，因此成本较低，易被推广。

4.4 血液分析

目前，微流控芯片技术所进行的血液分析已被应用于各类疾病的诊断工作中，包括生物学、基础医学等。该技术适用于各类只用少量的液体即刻完成相应的操作，如癌细胞以及重度贫血患者中。有学者借助微流控芯片技术研发了新型人工胎盘型微流控血氧合器，该设备可完成一系列的高气体交换、低注入量等相关操作，且在应用期间仅仅依赖较低的压力差即可完成，属于一种新型的模仿胎盘制作而成的设备[17]。该设备不仅避免了气体交换功能的丢失，而且其突出的折叠能力实现了相对较为紧凑的外形，有助于实现高吸氧的效果，也可在一定程度上促使早产儿出生体质量达到最低的标准。

4.5 肿瘤外泌体检测

肿瘤来源的外泌体通常在肿瘤微环境胞间通讯中发挥重要的作用，且优势突出。在一般情况下，肿瘤外泌体在体液中的含量相对较为稳定，并能够较快且灵活地分析并反映当前肿瘤所处的实际状态，也被认为是液体检测技术中具有较高潜力的肿瘤标志物[18]。目前，外泌体相关研究中所面临的一个最大困难在于如何将其从比较复杂的生物样品中加以分离。既往临床工作中所采取的超速离心法被认为是对外泌体浓缩的最经典方法之一。但该方法操作步骤复杂，且相关仪器设备费用较高，回收率也相对较低，临床应用欠佳[19]。而在微流控芯片技术基础上进行肿瘤外泌体检测操作简单，可通过微流控肿瘤切片模型来研究代谢饥饿梯度下的细胞行为，由此实现对实体肿瘤细胞代谢异常的早期诊断，这为后续肿瘤疾病的治疗提供了更多的选择[20]。

5 小结

近年来，随着人们生活水平的不断提高，越来越多先进的技术在医学领域被广泛应用。目前，临床工作中有诸多实际案例证实了微流控芯片技术在医学尤其是临床检验科工作中的应用效果[21-22]。微流控芯片技术不仅可用于PCT检测，也可完成现场的检测及诊断工作，为后续的治疗奠定基础，还可用于单细胞的测序以及微量化学反应等工作，在临床医学检测工作中具有重要地位，在接下来的研究中可进一步地研究并拓展其应用范围。