基于纸基微流控的快速诊断和药物递送
在绘画大师手里，一张纸蕴涵着无穷斑斓世界；在手工匠人眼里，一张纸是妙手生花不可或缺的原材料。但如今，环境学者利用简单的纸张构建了用于快速诊断和药物传输的纸基微流控芯片，纸被赋予了新的传感使命。
近期，来自中国科学院地球化学研究所张华研究员和英国克兰菲尔德大学 (Cranfield University) 杨竹根教授合作的“环境健康诊断与污染修复”国际交叉创新团队在《Journal of Controlled Release》期刊2020年第322期上发表综述文章[1]，对基于纸基微流控的快速诊断和药物递送研究领域进行了总结和展望。
纸张具有来源广泛、易于运输储存、可操作性强、生物样品相容性较好、过滤特性好、可降解等卓越性能，常被用作承载分析诊断测试的基底材料。自2007年起，纸基微流控技术逐渐成为研究的热点。
在本综述中，作者总结了近年来基于纸基微流控技术的研究进展，重点介绍了基于纸基微流控技术平台的设计、制备、优化和应用，特别是在医学即时诊断和药物递送方面的应用。
新的进展集中在纸基芯片与核酸检测，或等温扩增技术相结合的现场快速的样品应答检测。其中，环介导等温扩增(LAMP)是一种极为灵敏的核酸检测方法，在含有超低浓度DNA或RNA的实际样品检测中被大力开发应用。本综述文章前半部分详细阐述了基于LAMP技术的快检传感设备在传染病诊断、食源性致病菌分析、兽医学诊断、植物诊断和环境公共卫生评测等领域的发展与应用（图1）。
图1、纸基微流控芯片在快速诊断和药物控释中的应用
在可控药物传递领域，微流控技术具有精确给药、理想的靶向释放、持续可控释放、多次给药和轻微副作用等特点。通过进一步对微流控装置各项参数的集成、植入、定位、自动化和精确控制，使药物能够以设定的速率、良好的控制方式更有效地传递到靶部位。因此，这些特性使得可重复、按需和可调的药物递送成为可能。与其他常用材料（聚二甲基硅氧烷、玻璃、硅、熔融二氧化硅、水凝胶和聚四氟乙烯等）相比，纸基微流体用于药物筛选和传递具有独特的优势和巨大的应用潜力，尤其是在微观储层药物无载体输送系统、药物无载体集成微流控输送系统和药物载体集成微流控输送系统。
在本综述文章后半部分中，讨论了基于纸张的微流控技术在药物传递系统中的最新进展，包括高通量筛选药物、药物载体和药物传递系统的制备，但是目前该领域研究较少，鉴于纸基微流控芯片独特的优势，未来可能是一个新的研究方向。
随着微流体和纳米技术的发展，微流控技术已逐步应用于药物载体的制备、高通量筛选以及药物的固定等方面。纸基微流控作为一种有潜力的受控药物传递系统的候选技术，在明确临床动力学以有效治疗不同病理的患者，减少副作用，增加患者的便利性等方面仍有很多工作要做。未来，纸基微流控芯片在医学诊断和药物传递的发展将更趋向于集成度高和易于批量生产、灵敏度高和易于精确控制方面，并终将完成从实验向临床应用这一令人兴奋的转变。
【延伸阅读】
一种不依赖于精密实验分析仪器和能够在复杂现场简单操作的快检设备，在发展中国家或资源匮乏偏远地区是有着迫切需求的。基于这一重大需求，团队近年来致力于低成本、便携式现场快速诊断平台的研发工作。通过利用纸基微流控装置、环介导等温扩增（LAMP）技术以及快速的可视化方法，在传染病的快速诊断、食品安全分析、农业和农场物质评测、环境公共卫生评价等领域做出重大突破，受到相关领域学者广泛关注。
研发的传感设备被成功应用于印度农场传染病检测，现场检测了农场奶牛传染病所涉及的3种病原体（布鲁氏杆菌病，钩端螺旋体病和牛疱疹病毒）[2], 引起了多个国际媒体（如Phys. Org，My Science等）的报道；该折叠纸设备经过进一步改进被用于非洲乌干达的当地小学现场检测传染病（疟疾病）的发病情况，成果发表于国际著名杂志美国科学院院刊[3]。这表明了纸折叠技术在资源有限地区实现病原微生物核酸现场检测的巨大潜力。
此外，该国际合作团队最近提出了利用社区污水传感器来评价公共卫生的概念，并开发了一种基于LAMP的试纸条检测装置，用于社区污水基因标志物的检测[4]。废水中包含有一个地区的生活方式和健康风险的有效信息。在该研究中，成功的将核酸提取与富集功能集成到一个廉价的基于试纸条检测的装置中，从而使采样应答技术成为了可能。
通过检测疾病相关的生物标记物，然后获取实时数据，在公共卫生废水生物标志物和病原体的现场分析中发挥重要作用。这为利用废水流行病学的检测来评估社区健康提供了可能。例如，针对目前正在全球范围内肆虐的新冠病毒疫情，该团队还提出了利用基于污水流行病学的纸折叠分析技术来筛查潜在的新冠病毒患者这一创新性的重要观点，这一技术克服了传统检测方法无法快速大规模筛查潜在新冠病毒患者，和在资源有限的地区无法通过PCR检测确诊等缺陷，对于我国及全球新冠病毒的及时诊断和预警具有非常重要的指导性意义[5]，相关成果被EurekAlert、ScienceDaily、Yahoo、BBC等全球50余个知名媒体报道。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2020.03.010
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