诊断技术：磁珠，充满魔力的子弹-磁珠的应用

磁珠的使用可以归纳为两个主要的应用领域：磁珠作为基质携带感兴趣的样品和作为检测标签附着在样品上的应用。

在2004年Gijs等人的评论文章中，描述了磁珠处理和操作领域的最新技术，重点是在微流控系统中使用磁性粒子。除了磁驱动的基本物理方面，还介绍了磁珠的各种应用，并说明了与使用磁珠有关的优点和缺点。

磁珠可以通过永久磁铁或电磁铁进行操控。静态场用于固定样品，场梯度用于运输附着在磁珠上的样品。这可以独立于任何其他化学、生物或微流控过程来完成。此外，磁性标签不会像荧光标签那样发生漂白。这为微芯片水平上的分析和操作开辟了广阔的范围。

这个范围包括免疫测定（见下一部分内容）、细胞操作和细胞特异性定位、DNA提取、磁共振成像（MRI）、靶向药物治疗和医疗应用中的热疗。特别是，以微流控格式为特征的基于磁珠的免疫测定已经引起了广泛的关注。

早在1998年，Sinclair就建议在生物应用中使用磁性颗粒的分离和纯化方法。然而，磁珠在这一领域的应用的建立还需要一些年的时间。

正如介绍中提到的，磁珠的使用完全不限于生物医学的应用。原则上，磁珠可用于分离或处理任何类型的样品，这些样品可与磁珠表面结合。例如，磁珠被用于捕获铂族的胶体纳米粒子。

这样做是考虑到金属纳米颗粒作为催化剂被重新用于各种小规模的合成反应。阿维菌素-生物素系统被用来连接磁珠和铂金纳米粒子。事实上，金-硫醇系统的效果更好，但其化学结合力太强，无法进行回收（需要在分离后将金属纳米粒子从磁珠上分离出来）。

在普通的外部磁场强度下，附着在磁珠上的金属纳米粒子被证明是可以分离的。首次调查表明，在从混合物中分离后，铂金纳米粒子成功地从磁珠上分离出来。这项关于通过磁分离回收催化剂的研究是发现磁珠新市场的一个步骤。

免疫测定是一种用于生物分子检测和定量的生化试验。在免疫测定中，分子颗粒或抗原的检测和定量是基于抗体和抗原组成的复合物的特定互动和形成。根据检测方法的配置，抗原或抗体被检测。

通常情况下，荧光标记物被用于检测在检测过程中形成的复合物。在这样的免疫测定中，磁珠可以作为移动底物或标记物使用。Thanh描述了免疫测定的基础知识，重点是用作标记的磁性颗粒。

Varadan等人的书涵盖了对纳米医学提供的预防、诊断和治疗疾病的方法的基本描述。该书包括对磁性纳米材料的物理和化学原理的介绍，并对功能性磁性材料的生物医学应用进行了概述。图5提供了磁性纳米材料在生物医学诊断和治疗方面的多样性和潜力的印象。

图5. 生物医学中的磁性纳米粒子：诊断和治疗

根据图5，磁性纳米粒子在诊断和治疗领域有其生物医学应用。关于诊断的需要，它们可以在体内的MRI中作为造影剂，也可以在各种体外应用中，包括样品分离、固定化和免疫反应。此外，磁性纳米粒子被用于治疗一些严重的人类疾病。

Li等人在他们的评论文章中讨论了纳米粒子和纳米管在医学成像、诊断和治疗方面的良好能力，并分析了生物相容性和毒性问题。

Colombo等人提供了一篇关于在纳米医学中使用磁性纳米粒子的批评文章，同时考虑到对人类可能存在的风险。作者描述了磁性胶体纳米粒子在体外和体内的应用。讨论了磁性纳米颗粒与其他功能性纳米颗粒的未来作用，以及与现有生物技术方法的可能结合。

还指出了与颗粒在体内的结果有关的问题，以解决磁性纳米颗粒在医学上扩展使用的剩余挑战。图6显示了磁性纳米粒子在生物医学中的一些基本应用，这些应用在图5中可以找到：它们被用作核磁共振的造影剂、药物输送、热疗以及传感或检测。

图6. 采用磁性纳米颗粒的生物应用概述

在体外层面上，用于纳米医学的系统是微流控系统。磁珠或功能化的纳米粒子分布在液体载体介质中，并通过一个由用于引导和运输的通道、用于混合和化学反应的腔室以及适当的入口/出口组成的系统。微流控系统的主要优点是：

(i) 大幅减少样品和试剂（甚至低至pL规模）。

(ii) 反应时间快（当分子扩散长度与通道尺寸匹配时）。

(iii) 大的表面与体积比率（使样品的有效结合过程成为可能）。

这些与断层流体系统有关的优势使它们成为生物医学科学创新发展的有用工具，要求最小甚至无创、高效的操作。

除了使用磁珠作为基质或标签外，它们还可以被认为是微流控技术中用于混合目的的创新工具。

创建磁珠链，在交替的磁场中旋转，是实现微流控系统中不同液体有效混合的一个简单方法。此外，附着在微流控系统内表面的单个磁珠或磁珠簇可能在通道中产生涡流，作为被动混合结构。

特别是小的密闭几何形状，如微流体通道，需要改进流体混合的方法，因为目前低雷诺数阻碍了湍流的诱导。当磁场作用于含有分散磁珠的流体的微结构时，磁珠会被磁化并与它们的邻居对齐。这创造了柱状或链状结构。这些链子是在磁场方向上形成的，但其运动是沿着磁场梯度方向。

已经有许多尝试用磁场来解决这个问题。马丁等人用一个三轴磁场实现了珠子的混合，称为涡流场。涡流场由水平面上的旋转磁场组成，由施加在旋转磁场法线上的直流电场叠加。

Owen等人通过短距离上的外部旋转永磁体实现了超顺磁性珠子在充满液体的微通道中的有效混合。一种中尺度的计算方法被用来建立磁珠动力学模型，并确定对混合有影响的变量：流速、磁珠旋转速度和磁珠数量密度等等。

应该提到的是，磁珠柱状排列或磁珠链的使用不仅限于混合。Raman等人通过超顺磁性纳米粒子在磁场中的排列和连锁，将连锁效应用于确定共聚物纳米域的取向。Dreyfus等人用磁链技术完成了对胶体力的测量，而Takamura等人基于旋转磁场中的磁珠链完成了磁粒子的检测。

本部分内容概述了用于生物标志物检测和定量的标准和新型技术。介绍了基于超顺磁珠的多重和单重方法，以及基于磁珠的细胞分选方法。多重检测法在一次运行中同时测量多个分析物，而单倍检测法只针对一个分析物。

例如，细胞因子被认为是生物大分子的一个重要类别。细胞因子是小的蛋白质（大约5~20kDa），在细胞信号传递中起着重要作用。它们介导各种生物活动，包括细胞毒性和免疫调节作用。

细胞毒性描述的是对细胞具有毒性的特性，免疫调节是修改或调节生物体免疫功能的能力。细胞因子水平升高与炎症、疾病进展甚至脓毒性休克有关。由于具有重要的诊断价值，准确和及时地量化细胞因子以了解疾病的起源并帮助设计治疗策略是非常重要的。

如今，各种细胞因子的检测方法包括流式细胞仪、基于mRNA的检测方法、酶联免疫SPOT（ELISPOT）检测方法、细胞质内细胞因子（ICC）染色和基于磁珠的免疫检测方法。

传统的磁珠测定是使用标准的96孔板，以酶联免疫吸附测定（ELISA）为基础的形式进行。然而，这种方法对于检测单一的生物标志物并不有效，因为ELISA是为在高通量多重模式下平行检测各种分析物而设计的。