微流控芯片技术及其在检验医学中的应用

1.技术原理       

       微型芯片根据其结构和工作机理可分为两大类:微阵列芯片(Microarraychip)和微流控芯片。微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统,将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上。加载生物样品和反应液后,采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动,形成微流路,于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中,对样品进行快速、准确和高通量分析。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构,如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA杂交反应的微型反应器等。其中电压驱动的毛细管电泳(CapillaryElectrophoresis,CE)比较容易在微流控芯片上实现,因而成为其中发展最快的技术。它是在芯片上蚀刻毛细管通道,在电渗流的作用下样品液在通道中泳动,完成对样品的检测分析。如果在芯片上构建毛细管阵列,可在数分钟内完成对数百种样品的平行分析(其模式示意图见图1)。自1992年微流控芯片CE首次报道以来,进展很快。首台商品仪器是微流控芯片CE(生化分析仪,Aglient),可提供用于核酸及蛋白质分析的微流控芯片产品微流控芯片CE技术在反应体系中引入先进有效的内对照系统,与目的基因在一个体系中同步扩增,一方面可监测PCR污染,另一方面通过LowMarker、UpperMarker定位及相对定量,可实现准确的微量化全定量检测。同时,有高效的防污染系统,可排除假阳性。微流控芯片仪可自动识别PCR产物或蛋白质的不同大小的片段,并以数字化的形式直接给出有关基因的PCR产物或蛋白质的大小和浓度等有关信息。目前该技术已用于DNA、RNA、蛋白质和细胞等生物学检测。

2.微流控芯片的应用

       原则上,微流控芯片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,其中生物分析是热点。目前其应用主要集中在核酸分离和定量、DNA测序、基因突变和基因差异表达分析等。另外,蛋白质的筛分在微流控芯片中也已有报道。

       国际上公认的PCR产物检测共有五种方法,按其灵敏度高低顺序排列为:毛细管电泳法、固相杂交法、液相杂交法、高压液相杂交法和凝胶电泳法(不推荐临床)。微流控芯片CE以毛细管电泳为该芯片主体,无需进行探针杂交,受检样品的信号获得率接近百分之百。微流控芯片CE可检测15～7500bp范围的PCR产物,分辨率可达20bp,样品微量化使扩散进一步减少,分离效果极好,每孔可供多个不同的PCR产物作同时分析。

       该技术临床应用已多有报道。(1)应用多重逆转录PCR(multiplexReverseTranscription-PolymeraseChainReaction,mRT-PCR)通过多组特定引物设计,经mRT-PCR扩增后,其产物应用微流控芯片CE检测,同时可检测数种上呼吸道病毒,并可准确鉴定病毒的种类、型和亚型,其中可包括SARS病毒。(2)核酸扩增检测技术可缩短病毒“窗口期”,而应用微流控芯片,可同时检测多种病原微生物核酸的PCR产物如HBV、HCV、HIV、梅毒等。对献血员进行更为有效的筛选,减少甚至避免输血传播疾病的发生。(3)HBVDNA的定量测定能准确反映出HBV的复制水平、病程变化和治疗效果等,所以在乙型肝炎的临床诊断、治疗方案选择和抗病毒疗效观察等方面起着重要的作用。

3.微流控芯片的特点

       微型芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化,是在传统生物技术和疾病诊断等方面的创新和飞跃。微流控芯片的发展极大地扩宽了生物芯片的内涵,是当前微全分析系统发展的重点,它有很多优点。

       微流控芯片主要以分析化学和分析生物化学为基础,以微机电加工技术为依托,以微管道网络为结构特征,各工作单元既能独立完成单一反应或单元操作,也能与其他单元合作完成较复杂的工作,使整个芯片成为一个动态的反应系统。探针和靶分子的作用是主动式的,因而大大增强敏感性,提高反应速率。微流控芯片把整个实验室的功能,包括样品处理、化学反应、分离和检测等集成在芯片上,且可多次使用,因此具有更广泛的适用性。每个芯片可用于多个病人而不是一个病人一块芯片,每块芯片至少可重复使用20次,因此比微阵列芯片更为经济耐用。微流控芯片为通用模式的DNA芯片,特异性由PCR控制,因此可以提供检测平台。利用菜单式服务,及时提供临床信息,也为将来长期发展新增的项目提供基础。

现代仪器  作者：岳红 张正