微流控芯片在液体活检中的应用方案

引言

微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-chip），是一种在微米或纳米尺度下处理或操纵液体的技术手段。它通过将化学和生物等领域中的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，实现了对微小体积流体的精确操控。微流控芯片技术在液体活检中的应用，以其高通量、高灵敏度、高特异性及低成本等优势，为疾病的早期诊断、疗效评估、病情监测及预后评估提供了新的可能性和手段。

微流控芯片技术概述

微流控芯片内部通常由微流道、微阀门、微泵等微型流体控制组件构成，通过利用微流道内壁的表面张力和流道几何结构的设计，控制流体流动的速度和方向，实现液滴的生成、混合、分离、传输和检测等操作。微流控芯片的作用主要体现在其能对微小体积的流体进行精确操控，从而实现对样本的高效、准确处理和分析。

根据材料的不同，微流控芯片可以分为多种类型，包括硅基免疫微流控芯片、PDMS（聚二甲基硅氧烷）免疫微流控芯片和纸基免疫微流控芯片等。硅基免疫微流控芯片通过微机电加工技术在硅基材料上构建微流路系统，具有高灵敏度、高特异性和高通量的特点。PDMS免疫微流控芯片利用PDMS的优良性能，如弹性好、易于加工、电绝缘性佳以及生物兼容性高等，为免疫分析提供了高效、准确的平台。纸基免疫微流控芯片则采用纸张作为基底，通过加工形成具有一定结构的亲/疏水微细通道网络及相关分析器件，具有成本低、加工简易、使用和携带方便等优点。

液体活检技术简介

液体活检是指通过检测血液、尿液等液体中的循环肿瘤细胞（CTC）、循环肿瘤DNA（ctDNA）和外泌体等来评估肿瘤状态和疗效的方法。与传统的组织活检相比，液体活检更能反映肿瘤整体、实时的信息，甚至是全身肿瘤的信息，因此在肿瘤辅助诊断、疗效评估、病情监测及预后评估等方面显示出独特的优势。

液体活检的三大领域CTC、外泌体和ctDNA，在肿瘤精准医疗的临床应用中各放异彩。CTC是从肿瘤组织脱落进入外周血的各类肿瘤细胞的总称，是液体活检领域临床研究热度最高的生物标志物。外泌体是一种由细胞分泌的，直径一般为30-150nm的囊泡，携带有大量蛋白质、脂质和核酸等源细胞的生物标志物，在多种体液中均有分布。ctDNA则是从肿瘤组织中释放到血液循环中的DNA片段，可以反映肿瘤的基因组信息。

微流控芯片在液体活检中的应用方案

1. CTC的检测与分离

CTC作为液体活检领域临床研究热度最高的生物标志物，其检测与分离对于肿瘤的早期诊断、疗效评估及预后预测具有重要意义。传统的CTC分离方法如密度梯度离心和免疫磁珠分离等，存在分离效率低、难以实现高通量分析等局限性。而微流控芯片技术则可以通过精准的流体力学控制，实现混合细胞流体的快速准确分离，提高CTC的分离效率和检测灵敏度。

一些研究团队将微流控芯片上万个通道中的每一个通道的尺寸和形状都设计为适合CTC大小和形状的，从而实现对CTC的高效分离和捕获。例如，美晶医疗CellRichTM系统是基于微流体芯片的可融合正、负双向分离方法结合免疫荧光原位杂交技术的检测平台，用于恶性肿瘤疾病管理的CTC检测。该系统经过中国国家食品药品监督管理总局（CFDA）批准，已经成功应用于临床，并在CTC的高效捕获和多肿瘤标志物、单细胞分析及细胞表达量等相关检测方法上取得了显著成果。

2. 外泌体的分离与分析

外泌体作为液体活检的重要组成部分，其分离与分析对于揭示肿瘤的发生、发展和转移机制具有重要意义。传统的外泌体分离方法如超速离心具有耗时久、通量低及可能损伤外泌体完整性的局限性。而基于微流控芯片技术的外泌体分离方法，则可以在灵敏度、自动化及检测通量等多方面展露优势。

研究者He等人开发了一种微流控方法，将磁珠集成到芯片上，用于多种外泌体亚群的免疫磁微粒捕获和外泌体靶向蛋白的荧光分析。该方法仅需30ul样本，外泌体的捕获效率高达99.9%，而且可以方便地制备透射电镜表征样品，为微量样本的外泌体分离和分析提供了新的方式。另外，Vaidyanathan等人开发了一种通过引入电场来改善特定外泌体的免疫靶向捕获的微流体装置，该技术大大提高了外泌体的捕获率。

美晶研发团队则利用生物芯片技术，结合微流体和过滤两种方法，将由多孔硅纳米线组成的纤毛微柱整合到微流控芯片上，形成微流控过滤系统。该系统通过优化微柱的几何形状、分布位置与密度，为外泌体提供充足的结合位点，且不影响微流体通道内液体流动，在10分钟内实现外泌体的高效捕获。然后通过溶解多孔硅纳米线，释放外泌体，实现完整外泌体的高纯度回收。

3. ctDNA的提取与分析

ctDNA作为液体活检的另一重要生物标志物，其提取与分析对于肿瘤精准医疗的临床应用具有重要意义。微流控芯片技术可以实现各种免疫磁微粒复合物（如细胞、蛋白及核酸等）的特异性分离及捕获，有望实现液体中外泌体和ctDNA的提取与分析。通过集成多种免疫分析和检测功能，微流控芯片可以为ctDNA的提取和分析提供高效、准确的平台。

一些研究团队采用微流控芯片技术，结合免疫磁珠分离和PCR扩增等方法，实现了对ctDNA的高效提取和灵敏检测。例如，利用微流控芯片上的微通道网络，可以精确控制样本和试剂的流动和混合，从而实现ctDNA的快速、准确提取。然后，通过PCR扩增等方法，对提取的ctDNA进行进一步的分析和检测，为肿瘤的精准医疗提供有力的支持。

主控芯片型号及其在设计方案中的作用

在微流控芯片的设计方案中，主控芯片起着至关重要的作用。主控芯片负责控制微流控芯片上的微阀门、微泵等微型流体控制组件的开关和流速，从而实现对流体流动的精确控制。以下是一些常见的微流控芯片主控芯片型号及其在设计方案中的作用：

1. FPGA（现场可编程门阵列）

FPGA是一种高度集成的可编程逻辑器件，可以通过编程实现复杂的逻辑控制和数据处理功能。在微流控芯片的设计方案中，FPGA可以作为主控芯片，通过编程实现对微阀门、微泵等微型流体控制组件的精确控制。FPGA具有高速度、高灵活性和高可靠性的特点，可以满足微流控芯片对实时性和精确性的要求。

2. ARM Cortex-M系列

ARM Cortex-M系列是一种低功耗、高性能的嵌入式处理器，广泛应用于各种嵌入式系统中。在微流控芯片的设计方案中，ARM Cortex-M系列可以作为主控芯片，通过运行嵌入式操作系统和应用程序，实现对微流控芯片上微型流体控制组件的控制和监测。ARM Cortex-M系列处理器具有丰富的外设接口和强大的数据处理能力，可以满足微流控芯片对复杂控制和数据处理的需求。

3. DSP（数字信号处理器）

DSP是一种专门用于数字信号处理的微处理器，具有高速、高精度和低功耗的特点。在微流控芯片的设计方案中，DSP可以作为主控芯片，通过运行数字信号处理算法，实现对微流控芯片上流体流动的精确控制和监测。DSP的高速处理能力可以确保微流控芯片在实时性和准确性方面达到最佳性能。

需要注意的是，以上主控芯片型号仅为示例，并非唯一选择。在实际应用中，需要根据微流控芯片的具体需求和应用场景，选择合适的主控芯片型号，并综合考虑其性能、功耗、成本等因素。

结论

微流控芯片技术在液体活检中的应用，以其高通量、高灵敏度、高特异性及低成本等优势，为疾病的早期诊断、疗效评估、病情监测及预后评估提供了新的可能性和手段。通过精准控制流体流动和微型流体控制组件的开关和流速，微流控芯片可以实现对CTC、外泌体和ctDNA等生物标志物的高效分离、提取和分析。同时，随着技术的不断进步和应用场景的不断拓宽，微流控芯片技术有望在医疗领域发挥更大的作用，为疾病的预防、诊断和治疗提供更多的可能性和手段。