▍体外诊断领域中的应用

 

体外诊断是指在人体外部通过测试人体样本（血液，体液，组织等）来确定疾病或身体机能以获得临床诊断信息的产品和服务^[1]。根据国家食品药品监督管理总局按照检测原理和方法分类，体外诊断主要有分子诊断、免疫诊断、体外生化诊断等^[2]。目前体外诊断是微流控技术的最大的应用场景。国内外体外诊断技术主要表现为自动化、快速化、超高灵敏度、高通量检测和无创化、微创化的发展趋势。

 

下文分别从分子诊断、免疫诊断、体外生化诊断进行详细介绍。

 

1、分子诊断^[3]

 

（1）分子诊断定义

 

分子诊断是指在分子水平上对患者个体或其携带的外源性病原体的核酸、蛋白变化进行检测以评估患者健康状况的诊断方法，被广泛应用于传染病与遗传病检测、肿瘤早筛，预后评估及用药指导、无创产前诊断等领域^[4]。微流控芯片技术在分子诊断领域应用较多，在本文中我们主要通过微流控PCR芯片进行详细。

 

（2）PCR定义

 

PCR（Polymerase chain reaction，聚合酶链式反应），是一种分子生物学技术，可以用于扩增特定的DNA片段，该方法可在生物体外进行。PCR过程包括3个步骤：变性、退火、延伸，需要在高低中3个不同的温度(高温变性：90℃～95℃，低温退火：55℃～60℃，中温延伸：70℃～72℃)下进行，如图。

 

图. PCR技术原理^[5]

 

（3）微流控PCR芯片装置及原理示意图

 

微流控PCR芯片是基于微流控技术的PCR反应装置，其装置如下图所示。微流控装置具有体积小、样本需求小、成本低、全封闭、高集成、温度变化快等优势，有利于显著提高扩增速度、避免样本污染。

 

图. Kopp设计的世界上第一款微流控PCR装置

 

其中，PCR芯片的对温度控制的设计方式多种多样，如^[6]：

 

• 空间型（流体在微通道运动，温度区域固定）：蛇形式、辐射式、闭环

 

图. 蛇形式微流控PCR^[7]

 

• 时间型（流体在微通道不动，通道内温度变化）：离心式；

图.离心式PCR微流控示意图^[8]

 

• LAMP芯片（恒温扩增，扩增过程无需温度变化）

 

• 数字PCR：将样品稀释到单分子水平，并平均分配到几十至几万个单元中进行反应，在扩增结束后对每个反应单元的荧光信号进行采集，最后通过直接计数或泊松分布公式计算得到样品的原始浓度或含量。

 

（4）微流控PCR芯片优势

 

微流控PCR技术有效缩小反应体系，提高反应效率，且对不同试验过程进行集成和微型，改变了传统PCR技术存在反应时间长、能量消耗大、不便于集成与携带等缺陷。

 

（5）相关公司产品介绍：

 

• BioFire的FilmArray：一个测试卡同时检测多达20种物质（如呼吸道感染检测芯片可同时检测21种微生物感染），采用了巢式PCR技术，使用两对引物扩增，第二对引物结合在第一次扩增的产物的内部，这样增强了PCR扩增的特异性，降低了误扩率。

 

图. BioFire的FilmArray^[9]

 

• 芬兰公司MobidiagOy的Novodiag全自动高通量多靶标核酸分子诊断系统。^[10]

 

• Meridian的Revogene®分子诊断平台。^[11]

 

• 博晖创新Genplex微流控全自动核酸检测系统（如图所示）。

 

图. 博晖创新Genplex微流控全自动核酸检测系统及芯片内部结构^[10]

 

2、免疫诊断

 

（1）概述

 

免疫诊断，顾名思义就是应用免疫学的理论、技术和方法诊断各种疾病和测定免疫状态。在医学上，它是确定疾病的病因和病变部位，或是确定机体免疫状态是否正常的重要方法。

 

（2）诊断方向

 

根据不同疾病的检测需求，已开发出多种具有定性或定量检测的微流控免疫芯片。其诊断方向可分为：肿瘤标志物检测、感染性疾病抗原和抗体检测，自身抗体检测和激素检测等^[11]。

 

肿瘤标志物检测：通过检测肿瘤特异性生物标志物含量可以在早期得知患病信息，也可用于监测抗肿瘤药物治疗效果。

 

感染性疾病抗原和抗体检测：由病原体引起的部分感染性疾病具有高传染性，因此理想的检测应该具有即时性，使得患者在检测现场得以确诊并接受治疗，目前一些微流控芯片已经被成功地用于识别病原体分子标志物和感染诊断。

 

自身抗体检测：自身抗体可以在大多数自身免疫性疾病中发现。在疾病早期或疾病前期，自身抗体浓度便会升高，因而自身抗体具有早期预警价值；目前临床上，很多自身抗体用于自身免疫病常规诊疗检测，对自身免疫性疾病的诊断、治疗监测及预后有重要价值。

 

（3）代表公司

 

• 华迈兴微的M5四通道化学发光免疫分析仪

 

该仪器是将微流控技术、化学发光、磁微粒分离三项核心技术汇聚一身，可单样本多项目独立检测或多样本同时检测；芯片利用磁微粒化学发光法，可对被测样本在芯片内进行二次定量，使检测结果更精准，且内置血细胞处理区，可检测多种样本类型。

 

图. 华迈兴微产品示意图^[12]

• 微点生物的mLabs免疫荧光微流控检测平台（如下图所示）。

 

图. 微点生物mLabs免疫荧光微流控检测平台^[13]

 

• 岚煜生物LS-7000主动式微流控+时间分辨免疫荧光（如下图所示）

 

图. 岚煜生物LS-7000主动式微流控+时间分辨免疫荧光^[14]

 

3、体外生化分析

 

（1）概述

 

临床生化分析是基于分光光度法对血液、尿液等体液中血糖血脂、肝功、肾功、心肌酶谱等几十项生化指标进行检验的方法，是临床体外诊断最为常用的方法之一，占据了体外诊断将近30%的市场。

 

然而，以前的医疗机构普遍采用的生化检测基本由大型自动化生化分析仪来完成，虽具有很高的检测通量，但单个样本从采样到出结果的耗时长，对样本的消耗量大，且因运行的经济性问题对样本数量有一定要求，不符合现场快速检测的需要，因而与国家鼓励推行的分级诊疗、家庭医生制度以及很多需要长期监测的慢性疾病的防控等现实需要相矛盾。

 

（2）优势

 

全集成自动化：微流控生化分析系统利用微流控芯片技术将血液生化分析所需要的血清血细胞分离、血清定量、血清稀释与分配集成在一张塑料芯片上完成；

快速检测：配合便携式检测装置，可实现短时间内对一滴血的生化检测，其耗时和样本消耗量均比传统方法有着大幅度的降低；

操作简单：所有试剂均存储在芯片上，用户的操作简单。

 

（3）代表公司

 

• 微纳芯全自动生化分析仪 Celercare M5

 

与其配套的试剂片盘包括临床急诊、肾功、肝功、心肌酶、电解质等，每一种都可同时提供多个生化指标的检测结果，如图所示。

 

图. 微纳芯全自动生化分析仪 Celercare M5及芯片结构

 

• 成都斯玛特的SD1自动干式生化分析仪

 

可以快速准确的对微量样品进行检测分析，同时利用云计算可以帮助操作员远程做出医疗决策，如视频/图所示。^[15]

 

图. 成都斯玛特的SD1自动干式生化分析仪及芯片

 

 

下期文章预告：

微流控系列文章连载4，将详解微流控技术在单细胞分析、器官芯片、药物筛选等方向上的具体应用。敬请期待~

 

参考资料：

[1]杨勇, 雷孝锋, 李尔华, et al. 《体外诊断试剂注册管理办法》解读[J]. 分子诊断与治疗杂志, 2015, 7(4): 286-288.

[2]邢菁华, 张洵君.当代体外诊断历史变迁与分析展望[J]. 中国医疗器械杂志,2017, 041(6): 428-431.

[3] 王超,张东锋,杨柳青,等. 微流控技术在分子诊断上的应用[J]. 中国医疗器械杂志,2020(6). DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2020.06.011.

[4]全国卫生产业企业管理协会医学检验产业分会, 中国医疗器械行业协会体外诊断分会. 2017年中国体外诊断行业年度报告[J]. 中华临床实验室管理电子杂志, 2018, 6(3): 168-181

[5] 图片来源：微流控技术

[6] 资料来源：体外诊断网

[7] 图片来源：美国Visby网站（新闻）

[8]图片来源：GeneSlice网站（新闻）

[9] 图片来源：博晖创新

[10]邹志晨, 宋科官, 宋秋实,等. 微流控免疫芯片在医学检测中的现状和研究进展[J]. 中华检验医学杂志, 2022, 45(1):6.

[11]图片来源：博晖创新

[12] 图片来源：华迈兴微官网

[13] 图片来源：微点生物官网

[14] 图片来源：岚煜生物官网

[15] 视频来源：成都斯玛特

 

作者声明：感谢本文参考资料作者，文中观点仅供参考，不恰当之处还望包涵指正，资料内容侵删。

作者：武瑾嵘

审核：李芳