丨单细胞分析

（1）概述

细胞作为基本单位构成生物体的形态和生理功能，细胞的异质性通常存在于不同类型的细胞中，甚至在同一类型的细胞中，这导致了细胞大小、化学成分、生物学活性、物理反应等方面的差异。遗传或微环境变化引起的细胞间异质性被认为在胚胎发育、细胞分化和疾病进展中起着关键作用。

（2）优势

传统的体细胞分析方法掩盖了细胞的异质性，导致重要生物信息的丢失 。^[1]

单细胞组学分析可以揭示单个细胞中分子成分的丰度、分布和动态的异质性，分析分子成分，如基因突变和特定的mRNA/蛋白表达，这有助于将单个细胞分为不同的群体，引入新的类型。准确的分类和特征识别在复杂环境（肿瘤微环境、免疫系统、神经系统）或罕见细胞条件（早期胚胎细胞）的生物学研究中起着至关重要的作用。^[2]

（3）代表公司

• IsoPlexis 的微流控单细胞蛋白分析

IsoPlexis 的单细胞蛋白分析仪采用微流控技术搭配单细胞微流控蛋白质组分析芯片，进行单细胞蛋白质组分析，检测单细胞功能性蛋白表达；芯片内 12,000 个独立亚纳升等级的微室可以同时捕获上千个单细胞；微室底部的独特抗体编码技术可以在单细胞培养于微室时实时捕捉分泌因子或是胞内蛋白，单细胞可获取 30 种以上的蛋白数据；最终将获取的数据自动端到端传输到 IsoSpeak 分析软件（如下图所示）。

图. IsoPlexis 的单细胞蛋白分析 ^[3]

• 美晶医疗的CellRich检测平台

该检测平台是一个自动化的液体活检分析设备，由免疫磁微粒捕获仪和配套的试剂盒组成，采用微流控芯片和梯度磁场对免疫磁微粒复合物/细胞进行特异性吸附，达到对循环肿瘤细胞（ circulating tumor cell，CTC ）的捕获/富集，并对 CTC 进行染色鉴定，检测患者外周血中 CTC 的数量（如下图所示），美晶医疗的CellRich检测平台已经于 2018 年拿 CFDA 证。

图. 美晶医疗的 CellRich 检测平台 ^[4]

除上述两家公司外，还有：(1) 达普生物的液滴微流控分选仪，其技术是将微流控芯片技术和流式细胞术集于一体而形成的新一代单细胞液滴分选技术，可应用在细胞分选，单细胞测序，药物筛查等方面；(2) 汇先医药的全自动循环肿瘤细胞检测系统，该系统采用“物理+免疫”微流控双富集原理，可单独检测循环肿瘤细胞计数，也可原位检测 CTC 表面肿瘤蛋白表达；(3) 新格元生物科技，公司开发了一系列高质量单细胞测序产品，包括单细胞测序文库构建试剂盒、Singleron Matrix® 自动化单细胞测序文库构建系统、CeleScope® 生信分析软件、SynEcoSys® 单细胞数据库等，可快速高效的完成单细胞测试实验和数据解读。^[5]

丨器官芯片与药物开发

1、器官芯片

（1）器官芯片

器官芯片指的是一种在载玻片大小芯片上构建的器官生理微系统，包含有活体细胞、组织界面、生物流体和机械力等器官微环境关键要素，它可在体外模拟人体不同组织器官的主要结构功能特征和复杂的器官间联系，用以预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应（如视频所示，不同器官芯片的构建）。

（2）多器官芯片

多器官微流控芯片( Multi-Organ-Chip ,  MOC )是将不同器官和组织的细胞在芯片上培养，以微通道相连，实现多器官集成化，建立一个相互作用的系统用于体外药物筛选。芯片中可集成数个经过特殊设计的微培养室、灌注通道并同时培养多种细胞，利用微流控技术产生精确可控的推力以及合适浓度的培养液，以此来分析组织、器官特异性应激反应。

以下图为例，图左中包括采用 PDMS- 玻璃制作的芯片，一方面用于承载血流回路（粉红色），另一方面用于排泄流动回路（黄色）；数字分别代表肠道( 1 )、肝脏( 2 )、皮肤( 3 )和肾脏( 4 )。右图图示了血液回路中的 3 个测量点( i、ii 和 iii )和排泄回路中的两个测量点( iv、v )。该装置用微泵设备来控制流体流动，以微通道相连接，在芯片上培养构建了可容纳肠、肝、皮肤、肾 4 个器官的系统，通过两个流动回路模拟模拟药物在肠内吸收、肝脏代谢以及肾脏排泄，用于体外检测候选药物安全性和有效性评估。

图. 多器官微流控芯片设计示意图 [6]

（3）代表公司

• lEmulate

由 Daniel Levner, Donald Ingber 和 Geraldine A . Hamilton 于 2013 年创立，总部位于美国波士顿。公司创始团队在哈佛大学维斯生物工程研究所（ Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ）开创了器官芯片技术，公司拥有哈佛大学器官芯片相关技术的全球独家许可。（产品如下图所示）。

图. Emulate 的器官芯片和培养箱 ^[7]

• lMimetas

一家基于器官芯片技术的公司，2013 年由 Paul Vulto 创立，总部及研发中心位于荷兰莱顿生物园区，制造中心位于荷兰东部恩斯赫德，同时拥有美国和日本子公司。公司秉承 “ The simplest device for the most complex 3D biology ” 的愿景，为全球药企研发及科研机构提供可实现体外高通量筛选的人源化及疾病类器官 3D 模型的构建服务（产品如下图所示）。

图.  Mimetas 的细胞培养平台、血液流动模拟摇床以及监测设备 ^[8]

2、药物筛选、分析^[9]

人体不同器官或整个系统的毒性检测是药代动力学和药效学研究的重要部分，但是传统的二维细胞培养模式以及动物实验受到多方面因素的限制，如周期、成本、精准度、伦理等，难以预测人体对于各种药物的响应。而人体器官芯片能准确地控制多个系统参数，与传统的毒理学动物实验相比更能反映人体内真实情况，在新药筛选方面更具特异性。因此，利用微加工技术，建立更接近人体环境的仿生系统成为体外生理模型的研究热点。

目前的技术已经能够将微流控芯片与质谱联用，用于整合细胞培养、代谢物产生、样品预处理和检测等多个单元，从而进行药物代谢的研究，集成化的微流控芯片也可同时进行高通量细胞毒性筛选和代谢物的在线监测。如下图所示，将浓度梯度药物形成与细胞培养这两个单元集成到一个圆盘芯片中，该芯片包含 8 个具有相同结构的单元，每个单元上包含一个圣诞树结构的浓度梯度生成器，下游平行连接多个细胞培养室，单次可产生 64 种药物作用条件，可以实现对药物诱导细胞凋亡过程的监控。[10]

图. 基于灌注流模式的微流控细胞水平的药物筛选

丨其他新技术领域

微流控除在分子诊断、免疫诊断、生化检测、单细胞分析、器官芯片、药物筛选等方面的应用外，还在其他领域有所应用，如：

• 以理邦、雅培为代表的血气微流控分析

图. 理邦仪器的 i15 血气生化分析仪 ^[11]

• 以中科芯海、创怀为代表的血液（血球）微流控

图. 创怀医疗的 i15 血液细胞分析仪 ^[12]

• 以微点、普施康、雅培为代表的血凝微流控

图. 普施康的 MC500 全自动凝血分析仪 [13]

• 以华微生命为代表的微生物微流控

图. 大连华微的单细胞柔性高通量分选分离设备 ^[14]

参考资料：

[1] Y . Song, T . Tian, Y . Shi, W . Liu, Y . Zou, T . Khajvand, S. Wang, Z. Zhu, C. Y ang, Chem. Sci. 2017, 8, 1736.

[2] D. J. Wang, S. Bodovitz, T rends Biotechnol. 2010, 28, 281

[3] 图片来源：IsoPlexis网站

[4] 图片来源：美晶医疗公众号/官网

[5] 各公司官网整理

[6] 资料来源：微流控

[7] 图片来源：Emulate官网

[8] 图片来源：Mimetas官网/新闻

[9] Zoheir AE, Späth GP, Niemeyer CM, Rabe KS. Small, 2021, 17: 2007166

[10] 梁怡萧, 潘建章, 方群. 基于微流控技术的细胞水平高通量药物筛选系统的研究进展[J]. 色谱, 2021, 39(6):11.

[11] 视频/图片来源：理邦仪器官网

[12] 图片来源：创怀医疗官网

[13] 图片来源：普施康官网

[14] 图片来源：网络整理

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