微流控生物芯片前景如何？

空白派

微流控生物芯片日后好就业吗？长久发展前景如何？国内哪些院校这个方向做的比较好？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/41024851

清风寡欲

在生命科学领域，微流控芯片通常指的是微流控器官芯片（Organs-on-chips,OOC或Microphysiological systems, MPS），而国内的微流控器官芯片前景较其他领域更可观。
一、推动微流控芯片发展的契机

1、FDA 现代化法案 2.0

国际上，2022 年 9 月29 日，美国参议院一致通过了“FDA 现代化法案 2.0”，该法案的第3209节题为“动物试验替代方案”（图1），修订了 FDA 要求对所有药物在人体临床试验之前，须在动物身上进行测试的规定。修改后，在适当的情况下，可以采用新的替代方法，来确定药物的安全性和有效性，以代替动物试验。



图1 FDA 现代化法案2.0的签署

2、是什么推动了政策的改变？

道德考虑是驱动因素之一，因为没有人希望百万计的动物（图 2）在不必要的情况下一直使用。而更有效地将新药推向市场的愿望，代表了另一个驱动力。数据显示，开发一种新药，通常需要10至15年的时间，平均投资10亿美元，至高可达60亿美元。此外，动物试验并总不能可靠地预测人类对药物的反应。90% 的药物在临床试验期间仍然失败，主要由于缺乏疗效或存在安全问题，而究其根本是传统的临床前模型未能预测人类的这些反应。



图2 将被用于动物实验的比格犬

另一方面，新药筛选不再仅仅是小分子药物，经过基因编辑的细胞、AAV病毒、siRNA、纳米抗体、下一代多肽等新药物模式（图 3），约占全部新药开发的 20%，这些对人类特定作用的模式，意味着动物模型不太适合进行测试。



图3 新的药物模式

另外，去动物化是国际上的一个趋势，减少、限制、替代的3R原则也正在各国逐步推行。
3、我国对微流控器官芯片的态度如何？

我国药品监督管理局药品审评中心 CDE 在 2021 年 11 月和今年 10 月都提出过对微流控器官芯片的指导意见，而且在 今年11月上旬，CDE 药理毒理学部孙涛部长也对器官芯片在新药研发中的作用也提出了宝贵的意见，这些意见表明了中国药品监管部门对于类器官和器官芯片等仿生模型技术的积极态度，鼓励通过此类技术平台进行药物体外测试和评价（图 4）。


二、微流控芯片的未来发展前景

下面表格（图 5）展示了微流控和OOC 领域发表文章数量趋势，逐年增加的文献发表说明了这个领域的关注度正在增加。



图5 微流控芯片(OOC&MPS)领域发表文章数量趋势

同时，有机构预测，到 2023 年，非动物替代检测的市场为规模将比现在增加 3 倍以上（图 6）。2019年，在一项器官芯片系统的经济效益研究中，独立第三方研究预测，器官芯片在药物研发流程中可节约所有研发成本（约为每年490亿美元）的26%（Franzen et al. 2019）。另外有一项调研显示，器官芯片作为一种替代动物实验的技术，未来其市场规模也会越来越大（图 6）。



图6 非动物替代检测市场预测

三、上海曼博生物提供微流控芯片整体解决方案

目前，国际上的器官芯片技术已发展10余年，形成了相对完整的产业链，可以大致将其分为三个环节，上游主要是一些仪器设备制造企业和提供技术、资金等支持的研究机构；中游主要是器官芯片供应商，这些器官芯片供应商不断地对技术、产品和服务进行完善、验证和创新，来满足下游客户的需求，下游客户主要包括药企、医院、高校、CRO、监管机构例如FDA等。国内器官芯片技术起步较晚，但也在不断的进步中，同样需要经历这样产学研结合的过程。全产业链中，中游器官芯片供应商发挥举足轻重的作用，因为这些企业需要不断地解决技术困境。
上海曼博生物医药科技有限公司是英国CN-Bio官方授权的中国代理商（图 7）。总部位于英国剑桥的CN Bio ，拥有与世界先进的合作者合作开发OOC技术超14年的经验，这些合作者有牛津大学、麻省理工学院、美国国防高级研究计划局、FDA等，可以带来整体解决方案，例如：多种规格的芯片（或定制）满足各种器官研究；经过验证的成套SOP、细胞和试剂盒，确保快速准确地得到实验结果，加快药物的研发进程。


总体而言，国内微流控芯片技术发展正处于起步阶段，国际先进技术的引进能够加速国内生命科学基础研究与药物研发，选择曼博生物，能够更快达成想要的结果。

清风寡欲

由中国化学会分析化学学科委员会、东南大学共同主办，东南大学苏州医疗器械研究院承办，数字医学工程全国重点实验室、中国生物医学工程学会类器官与器官芯片分会、江苏省研究型医院学会类器官与器官芯片分会、江苏运动健康研究院共同协办，中国化学会第十四届全国微全分析系统学术会议/第九届全国微纳尺度生物分离分析学术会议于2023年8月26日至28日在苏州高新区圆满举办。



本次会议汇聚众多国内微流控技术领域的专家学者和医生，旨在深入探讨与分享微流控学、微全分析系统、微纳尺度生物分离分析等微流控技术在各领域的开发研究和应用，为微流控技术领域内的专家学者们提供多学科交叉的学术交流平台。

01 现场活动

与微流控技术大咖同行，现场精彩不断。艾玮得生物携生物材料、单腔器官芯片、高通量器官芯片、高内涵智能分析系统、摇摆灌注仪等系列产品亮相，完整展示了从上游生物材料/试剂盒，中游器官芯片，到下游生命科学仪器的全产业链的布局，吸引现场观众驻足观看和了解。








艾玮得器官芯片技术转化于东南大学器官芯片科研团队，其结构设计采用微流控技术，可在器官芯片内精准控制流体，实现可持续高仿生的流动。


02 同期分论坛演讲
主题演讲


8月27日，艾玮得生物副总经理、CTO陈早早博士在第一分会场做题为《人体器官芯片的模型构建和药物有效性评价研究》的主题演讲，重点介绍器官芯片发展历程与市场前景，艾玮得器官芯片产业化实施情况等方面内容。


口头汇报


8月27日下午，艾玮得生物生命科学设备研发工程师在分论坛进行口头汇报，题目为《基于人工智能的类器官识别》，为现场嘉宾生动演示了艾玮得高内涵智能分析系统中类器官识别研发成果。

江苏艾玮得生物科技有限公司（AVATARGET）成立于2021年，是一家专注于人体器官芯片及生命科学设备研发与生产的创新科技公司，其核心技术转化于东南大学器官芯片科研团队，技术成果已成功应用在新药研发、精准医疗、疾病建模、美妆安全性评价等科研场景中。
目前，艾玮得已与恒瑞、先声、齐鲁、美国哥伦比亚大学、江苏省人民医院等国内外知名药企，多所医院、研究机构及高校达成深度合作，持续推动器官芯片在更多高端医疗器械领域的应用，助力生命科学快速发展。

感恩由您

一、背景介绍：
（一）LAMP背景介绍：
  环介导等温扩增技术英文名称为“Loop-mediated isothermal amplification”,受到了世卫组织WHO、各国学者和相关政府部门的关注，短短几年，该技术已成功地应用于SARS、禽流感、HIV等疾病的检测中。LAMP对比传统PCR，整体应用效果而言，qPCR（定量PCR）的检测灵敏度高于LAMP。具体区别如下：
1、LAMP对样品中抑制剂敏感性低于qPCR，这也就意味着LAMP对扩增环境的要求低于qPCR。
2、对于qPCR而言，由于引物设计的成熟和荧光通道的多样性，往往可以比较好的实现高通量检测。
3、相较于qPCR, 引物设计困难也导致了LAMP的检测通量受限。大部分LAMP的引物需要4-6个，而qPCR通常需要两个，不仅如此LAMP引物一般较长，LAMP的引物设计难于qPCR。
4、LAMP仅仅需要一个恒定温度即可实现扩增，而PCR通常需要三个或者两个温区的改变来实现扩增需求，所以PCR的温控难度相对较高。
5、因为LAMP的扩增仪器的温控更容易实现。所以基于LAMP的仪器更简单更便宜，加热耗能更少。
总之，LAMP虽然很好的解决了PCR的温控方面的难题，但是也相应带来了其他的问题，比如上面提到的问题：相对于qPCR而言，检测灵敏度不够，引物设计更困难，假阳性高，无法定量检测；不仅如此LAMP的引物设计难度高，试剂成本也相应高于qPCR。而在应用过程中面临的问题还是相对于PCR很成熟的技术体系而言，LAMP目前还需要不断的优化来发展自己的应用场景。

（二）离心微流控背景介绍：
     通常离心微流控​芯片从核酸提取到读取检验结果的过程中，试剂需要合适的驱动力来完成试剂的转移。通常来说需要泵来提供精确的驱动力。但是一些特殊的微流控芯片则需要离心力来完成。众所周知，离心力（centrifugal force）是一种惯性的体现，它使旋转的物体远离它的旋转中心。从核酸提取到读取检验结果的过程中，试剂需要合适的驱动力来完成试剂的转移。通常来说需要泵来提供精确的驱动力。但是一些特殊的微流控芯片则需要离心力来完成。众所周知，离心力（centrifugal force）是一种惯性的体现，它使旋转的物体远离它的旋转中心。
离心式微流控芯片(centrifugal microfluidic chip)系统以MEMS加工技术为依托，借助于离心力为液体的流动提供驱动力,从而实现对液流检测分析的微流控体系。该芯片通常将化学分析的采样、预处理、衍化、混合及检测等过程中涉及的阀、流动管道、混合反应器、加热器、分离装置、检测器等部件微型化,集成到类似CD形状的芯片上,当这个微流控系统与温度控制、检测以及正在发展的信息存取和处理组合起来时,就会形成能够运行各种综合分析功能的系统。



最典型的离心力微流控装置外观看似一个光盘，其中包含相互连接的流体通道和腔室。这些离心力微流控圆盘能够进行从体外诊断到水质分析的复杂分析，变得越来越便携、成本低、容易使用，因此成为即时诊断的理想技术。最近研究出的独特的样品制备、流体处理、DNA扩增和其他技术方法已经允许集成多个流体和分析步骤，因此在CD上能够实现完整的微全分析系(micro-total-analysis system，μTAS)。离心力微流控平台上的许多液体控制基本单元操作已经为人所知，并且不断有新的单元操作被开发出来，它们在即时诊断、研究和安全领域得到了许多应用，越来越受到生物诊断公司的青睐。
二、论文分析：
2021年我国科研人员提出一种基于LAMP的可以同时快速检测10种近海水源病菌的检测方法。基于该方法的设备具备同时对两种试样进行22种基因数据分析。整个检测过程实现自动化的集成，LAMP的时间控制在35分钟。



本文采用基于 LAMP 的方法检测水质病原体，从样品加载到微流体操作的过程采用全自动化流程，LAMP 反应可在 35 min 内完成。实验表明片上 LAMP 检测具有极好的重现性，其阳性变异系数小于 0.1。
芯片的尺寸为：直径：62 mm，厚度：0.6 mm，芯片照片如图 A所示。该芯片由底层基板和顶部盖板两层组成，两者均由 PMMA 制成。在反应孔中加入引物后，用气压机冲压将两层牢固粘合，以获得均匀的气密密封。
芯片结构如图A所示：底层基板设计了不同功能的微腔或微结构，如反应孔、缓冲孔、毛细通道、主通道和样品的出入口。芯片有两个对称结构，每个区域均有11个反应孔和一对进出液孔。




图A

芯片主通道的总体积约为22ul，反应腔体的体积则为1.414 ul的反应体积。为了防止可能发生的污染，狭小的毛细通道和一个缓冲井被设计出来。
如图 B 所示，试剂通过入口孔吸入主通道，此后经过30秒钟的离心作用，经过离心速度为6000转每分钟的离心旋转后，试剂会通过细长的毛细管流入反应孔，在反应腔内，维持63摄氏度，则可以进行等温扩增。




图 B

为了扩增实验方便进行，作者采用了商业化的检测设备来完成最后的数据采集工作，该实验装置采用博奥的等温芯片检测系统。该系统包含一个温度控制模块和一个用于终点或荧光信号实时检测的荧光采集单元 。该设备图片如图C所示，设备重量约为 8公斤，长 、宽 、高尺寸分别为 360 、295、190 mm。




图 C

经过等温扩增完后，可通过系统集成软件观测 S 形扩增曲线。最终博奥设备输出的结果如图 D所示。



图 D

总结：作者提出了一种双样本同时检测的LAMP芯片检测设备，通过简单的加样，混合，检测来完成病菌的检测任务，这个过程也就35分钟内快速给出检测结果。
参考文献：
1、A real-time LAMP-based dual-sample microfluidic chip for rapid and simultaneous detection of multiple waterborne pathogenic bacteria from coastal waters
2、百度百科及其相关报道
更多同类文章请见同名公众号：微敏视界

同花顺

体外诊断是一个国内朝阳行业。体外诊断的全自动化，智能化必然是个大趋势。那么，体外诊断里如果对少量体液（主要血液，尿液，唾液）进行全自动操控，微流控的优势不可替代。目前市场上的高通量体外诊断，我们可以选择用成本更高，通量更大的机械手臂流水线作业。但是如果要通量不太大，要便携，要便宜，要POCT ，那么这一块，体外诊断的全自动化必然避不开微流控。
具体可以看一下另一个回答：
https://www.zhihu.com/question/28607048/answer/151131250

继续前进

苏州汶颢http://www.whchip.com/也是做这个的，行业前景是很好的，只是目前国内市场没有成熟