微流控技术及其在体外诊断中的应用及前景

微流控技术是对微量流体的精确操控的技术手段(尤其是指在亚毫米尺寸级别上的操控)。而微流控芯片则是将生物和化学领域所涉及的基本操作单位集成在一块小型芯片上。

这种芯片一般是由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，能很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用效率，把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上。

图1.微流控的技术优势

数据显示，在-年间，分散式分子诊断技术开始全面获益于微流控技术，样品制备水平的提高就是非常突出的例子，这使得微流控技术从此开始强势渗透即时诊断（PointofCareTesting,POCT）领域。

直至今日，这些应用仍在推动微流控产业的结构发展和增长。相关数据显示，年微流控芯片的市场规模约为28亿美金，到年市场规模为58亿美金，年复合增长率超过27%。

微流控相关的文献在年-年间呈现出上升趋势，是研究高涨的时期，年以后文献数量逐渐下降，技术已经有一定的积累并开始走向成熟，微流控技术逐渐向个性化医疗发展，进入产品的成型期。

图2.微流控技术的发展历史

微流控芯片在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。而在产业化中，微流控一般分为以下几大类型：气压推动式微流控，离心力推动式微流控，液滴微流控，数字化微流控，纸质微流控等。

图3.微流控的液体控制方式

目前来讲，微流控的最大的产业化场景还是在于体外诊断。体外诊断（IVD），顾名思义，主要是指对人体的血液、体液、组织等进行检测而获得临床信息的产品或服务。目前国内体外诊断市场主要细分为五类：生化分析，免疫诊断，分子诊断，微生物以及药敏分析系统，血液学与凝血类。

IVD医疗器械这方面国内市场空间特别大。

第一，国内医疗里的医疗器械与医药消费比还远远低于美国这样的医疗体系相对成熟的国家。而诊断类医疗器械在整个医疗中重要性不言而喻，它几乎决定着后续的所有治疗方案和用药。中国诊断类医疗器械这一块潜力很大，有巨大增长空间。

第二，中国人口的老龄化。中国过去几十年的高速发展离不开20世纪五六十年代的大出生的人口红利。但是，再过十几二十年，人口红利就变成了老年化的人口负担。计划生育这么多年，那个时候青壮年又少，这个时候智能化的诊断检测类的医疗器械需求会大大增加。

第三，现在都在说互联网医疗。那么真正的互联网医疗最应该解决的问题就是智能化医疗检测终端问题。这里就需要POCT的诊断检测类的医疗器械。

第四，中国人民终于进入了小康社会，温饱解决了要关心生活质量。那么医疗健康这一块，大家注定要花费更多心思了。国家也会财政上逐步增加医疗保健的支出。

第五，在我国，分级诊疗制度也会逐步的实施下来，而分级诊疗制度推行以后，将给POCT带来很大发展机遇。在社区卫生服务站或中心POCT将会由冷变热，常见病、多发病、慢性病的POCT数量将明显增加。而且互联网+POCT+移动医疗在家庭和个体化健康管理、疾病预防控制、慢病管理等方面也会有井喷式的发展机遇。

图4.我国IVD产业规模

体外诊断基本主要是基于体液（血液，尿液，唾液）的诊断。对于这些体液的操控，有两条路：人工和自动化。这里，自动化肯定是个大趋势。所以，IVD里除去试剂的研发，后续的如果要做自动化检测，除了机械手臂式的仪器（仪器成本高），那么基本避不开微流控。我认为这是微流控技术必将火起来的基础。

IVD主流有三大类：生化分析，免疫诊断和分子诊断。这三类，门槛由低到高。国内产品还主要集中在生化分析和免疫诊断。

在生化分析方面，由于技术比较成熟，技术壁垒比较低，所以微流控产品将面临着成熟的传统的生化分析仪的有力竞争。但是随着分级诊断的普及，医院为节约设备成本，会更倾向于小而易用的基于微流控的生化分析仪。

医院所需检测的样本量不多，所以与单位时间的检测通量相比，更在乎的是生化分析仪的价格和易操作性。这个时候，低成本易于操作且能快速出结果的微流控自动生化分析仪的优势就凸显了出来。在这一块，技术相对成熟的产品有天津的微纳芯PointcareM和美国爱贝斯（Abaxis）PiccoloXpress?即时生化检测仪。

图5.美国爱贝斯（Abaxis）PiccoloXpress?即时生化检测仪

基于微流控人体体液的生化分析也特别适合目前大热的互联网医疗。现在可穿戴市场是初步做到了监测心跳，行走步数，血压等等，如果在此基础上可以做到唾液和尿液（尿液里的医疗信息相对较大，而且无创，病人配合度较高，但是目前也只适合晨尿这种，因为尿液实时成分跟人体饮食因素关系很大）的相关组成成分监测，这些数据再与互联网目前大火的大数据的结合，这一块也将大大的推进了人类医疗健康系统的发展。

智能检测或诊断的医疗器械终端（家用）和互联网目前最火的大数据的结合未来也必然是个大热点，毕竟没有这边的终端，就没有那边数据。另外，基于微流控技术的对汗液等成分实时监测的可穿戴式设备也会为当前的相对萎靡的可穿戴设备市场注入一股新鲜血液。

在免疫诊断方面，由于化学发光（CLIA）的灵敏度高，速度快，重复性好且更易全自动化，所以化学发光在免疫诊断中占据着越来越重要的地位。在化学发光仪器这一块，国内竞争呈现白热化和同质化倾轧的特点，主要都是基于机械手臂的方式来进行实现，技术上并没有太大的区分度。

而另一方面，在年5月15日-18日中国国际医疗器械博览会(CMEF)上，华迈兴微的基于微流控的M2微型化学发光分析系统就相对亮眼的多。相比较于普遍的几十千克的大型机械手臂式的化学发光仪而言，这款产片只有5千克，而且从加样后到全自动的打印报告，只要15分钟。这款产品充分的体现了微流控的技术优势。

图6.在我国，化学发光逐渐取代酶联免疫成为主流

基于免疫的诊断也有问题，这些都是基于抗原抗体特异性（胶体金，ELISA，FIA，化学发光等）结合那一套，当体内抗体水平过低时会有误诊的。更可靠的传染病的诊断方法是基于DNA的分子诊断。

这个中国血站的检测方法的升级最能说明问题，中国血站的检测方法正逐步实现了由ELISA到核酸检测的过渡。另一方面，免疫诊断在传染病诊断中绕不开的是传染病的窗口期，而分子诊断这会大大缩短这个窗口期，从而进一步减小误诊率。最后，在疾病治疗中，对病人体内的病原体数量的监控主要还是依靠分子诊断技术。

基于PCR的分子诊断分为三步：核酸的提取和纯化；核酸在引物约束下特异性地PCR扩增；扩增产物的检测。在实时荧光定量PCR里，往往PCR扩增和扩增的产物的检测是同时进行的，通过最后的荧光定量来判断是否有这种细菌或者病毒的DNA，从而实现疾病的诊断的功能。

当然，免疫诊断（ELISA以及化学发光技术）也有分子诊断替代不了的应用场景，比如过敏，甲状腺功能，肿瘤标志物，心肌炎标志物等等。目前来看，随着分子诊断技术的继续发展，免疫诊断和分子诊断会进一步细分体外诊断市场，各自在各自的应用场景里发挥自己的作用。

图7.荧光定量PCR的实验室建设

为了避免交叉污染，临床上，基于PCR的分子诊断技术一般需要四个单独的实验区：试剂和样品准备区，样品提取区，扩增区和产物分析区。这也导致了基于PCR的分子诊断实验室的搭建成本较高，一医院。

由于基于PCR的分子诊断的人工操作需要四个实验区，搭建成本高，而且PCR检测过程费时并且需要专业人员进行操作，整个过程由于人的参与带来许多不可控的因素，所以临床对于全自动仪器的需求高涨。而市场上的全自动的分子诊断仪器，做的相对比较成功的有赛沛（Cepheid）的GeneXpertPCR分析仪，BioFire的filmArray，IQuum的cobasLiatPCRSystem以及AtlasGenetics的io。

图8.赛沛的GeneXpert

这里的赛沛在年9月被丹纳赫以40亿美元收购；BioFire在年9月被生物梅里埃宣布以4.5亿美元收购；IQuum在年4月被罗氏同样以4.5亿美元收购；英国AtlasGenetics在年的年底也被万孚生物以约1.25亿人民币收购了14.95%的股权（这家公司凭借此分子诊断的产品已经融到了万美元）。这几个产品里，其核心都是微流控技术。而国内的博晖创新，利德曼等也都有自己的基于微流控的全集成的分子诊断的产品了。分子诊断，由于存在一定的技术壁垒，在微流控平台实现全自动的核酸和PCR的好精准的温控，都有一定的技术要求。

除了传染病，基于ctDNA的肿瘤液体活检和肿瘤的分子分型也是分子诊断的一大应用场景。另外，基于液滴微流控digitalPCR更是代表着PCR分子诊断的未来。且不说分子诊断，就是基因测序芯片，现在华大等做的也很火了，BD还推出了全球首款全自动一体化微流控文库制备仪。即使是全自动化的基因测序的设备，微流控在其中也扮演着重要的角色。

图9.Bio-Rad的digitalPCR系统

体外诊断的自动化必然是一个趋势。在这个趋势里面，目前主要技术为机械手臂以及类似的复杂机械结构和微流控技术。在这里，机械手臂式的仪器往往大而贵，但是，机械手臂流水线作业也往往会让单次检测成本变的很低。另一方面，基于微流控技术的体外诊断仪器往往小而便宜，由于高度集成，操作也比较简易。但其相对机械手臂式的仪器而言，单个样品检测成本可能会较高。这两种仪器将会在我国分级诊断中扮演着自己的角色，充分发挥各自的优势，活跃在不同的应用场景。

样本量很大的地方就使用机械手臂式的大仪器，样本量小的地方使用基于微流控系统的小仪器，想做到POCT的话也还是需要使用基于微流控的sample-to-answer的便携式仪器。而另一方面，随着微流控技术的发展，高通量的单样本多指标甚至多样本多指标式的微流控检测系统也会慢慢出现。如果微流控系统的单个样品检测成本能持平于甚至低于机械手臂式的仪器的检测成本，那么，相比于机械手臂式的仪器而言，微流控技术将会逐渐更具优势。最后，体外诊断的仪器，要做到POCT级别，目前以笔者的视角来看，微流控技术有其不可取代的优势。

来源：体外诊断网

作者：汤明辉香港中文大学电子工程系微流控方向在读博士。

-：南京大学光电信息工程系本科；至今：香港中文大学电子工程系硕博。

博士期间以离心微流控平台为载体，研究基于微流控的全自动化体外诊断仪器设备。研究重点在于基于微流控技术的全自动化的分子诊断系统和基于微流控技术的全自动化的药敏试验系统；当下也重点







































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