晶片上的實驗室,讓早期診斷和精準醫療成為可能

2021-01-08 騰訊網

圳先進院醫工所傳感中心執行主任楊慧 深圳先進院供圖

「看病難、排隊久」是各大三甲醫院普遍存在的現象，面臨大醫院資源不足的問題，「分級診療」甚至「自助診療」等解決方案急需提上議程。然而，基層醫療機構診療水平不足、家用診療設備匱乏是上述措施落地的一大門檻。近年來，飛速發展的微流控晶片技術正是要攻克這一難題。

「微流控晶片又被稱為『晶片上的實驗室』，它的目標是將醫學檢測實驗室完整複製到一塊微小的晶片上。」中國科學院深圳先進技術研究院醫工所傳感中心執行主任楊慧介紹道。致力於「生物醫學微系統與納米器件」研究，利用微流控技術，楊慧團隊目前已在早期診斷、精準醫療、儀器開發等方面取得系列進展。

「晶片實驗室」是如何工作的

據楊慧介紹，團隊目前主要的研究方向是生物醫學微系統與納米器件，其目的在於利用微米和納米技術來解釋並解決生物醫學上的科學基礎問題，同時創造一些新方法，微流控就是其中的重要研究方向。

微流控晶片被稱為「晶片上的實驗室」

所謂「晶片上的實驗室」，是將以往在大型實驗室裡才能完成的實驗，例如生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、分離、反應、檢測等基本操作單元，集成到一塊微型的晶片上，實現對細胞、蛋白、酶、核酸等成分的快速準確檢測、分析、分選與操控。國家科技部《「十三五」生物技術創新專項規劃》明確將「晶片上的實驗室」列為應重點發展的顛覆性技術之一。

一塊幾平方釐米的晶片要如何完成實驗室中的檢測項目？楊慧介紹了它的工作原理：晶片內設置了不同的可供流體通行的通道，用以完成不同的生物或化學反應過程，當需要檢測的物質流過某一區域時，受到光的照射，這些物質可以自發或者與其它特定物質結合發出螢光，這些螢光可以通過光學相機等傳感器進行讀取，從而得知流體通道中需要檢測的物質種類與含量。

那麼，微流控晶片技術的發展將對人們的健康生活帶來怎樣的改變呢？

「好比二十年前血糖檢測還需要在醫院完成，現在自己在家用小試紙就能測了。」楊慧說，「微流控晶片的終極目標是對整個醫療檢測體系進行創新，由原本以醫院為主體管理個人健康水平，轉化為病人通過相應的設備及方法，自我管理、監測自己的健康水平。」

助力體外檢測與早期篩查

具體而言，楊慧團隊的研究重點之一是實現對核酸或蛋白等生物單分子的操縱和檢測，其明確的應用方向是生物醫學的體外檢測。

「將人體自身循環系統中的體液，尤其是血液，提取出來後，就能對體液環境中存在的許多物質進行分析。而這些物質的狀態及含量反映了人體當時的基本健康狀況。」楊慧表示，如果能夠利用先進的微米納米技術實現對單個分子或蛋白層面的研究，對於疾病的早期檢測具有重要意義。

以C反應蛋白和肌鈣蛋白的檢測為例，這兩類物質是臨床醫生判斷發熱患者是細菌性感染還是病毒性感染的明確指標，通過檢測結果決定治療方案。目前，醫院對兩種蛋白的檢測水平在毫克每毫升、微克每毫升級別，而楊慧團隊將其檢測精度提高了10的3次方到6次方數量級，達到納克甚至飛克每毫升級別。

「在目標物質含量極低時便能檢測出來，意味著疾病在更早期的時候就能被發現。」楊慧表示，團隊將繼續開發新的疾病標誌物檢測方法，助力檢測手段朝著可檢測項目越來越多、檢測精度越來越高的方向發展。特別是重大疾病如腫瘤、不可逆疾病如老年痴呆等，早期診斷對於疾病的防治具有重要意義。

生物醫學微系統與納米器件

創新氛圍為科研提供無限可能

2014年，楊慧於瑞士洛桑聯邦理工大學獲得博士學位後，曾在歐洲微電子中心任項目科學家，2017年加入深圳先進院。在她看來，深圳先進院無論在S（science，科學）還是T（technology，技術）上都有非常旗幟鮮明的發展思路。

「在特區的大環境下，能夠實現的可能性非常多，不僅僅是攀登科研高峰的可能性，還有解決應用場景現實問題、服務於人群的可能性。」楊慧表示，「深圳的科技創新政策和產業氛圍，允許我在基礎研究形成突破的同時，在應用方面也形成有影響力的成果，這些應用研究進展反過來支持我進行更深入、更廣泛的基礎研究，這其實非常符合現在的科學發展規律，尤其是在生命健康科學領域。」

以所學解所需，楊慧團隊去年與兩家企業成立了聯合實驗室，一個是圍繞微型化及小型化檢測儀器開發的「體外診斷先進技術與應用聯合實驗室」，目前已實現快速即時的臨床血液細胞分析；另一個是聚焦核酸痕量檢測「智能miRNA癌篩應用聯合實驗室」，已開發微量血液中游離痕量核酸快速提取的可攜式裝置，使得遠端的第三方檢測成為可能。

「我們的研究和開發需要持續不斷地挑戰跨學科性的工作，但這也是我喜歡的地方。」楊慧指出，「例如，從複雜生物樣品中分離和研究化學信號，屬於分析化學或生物工程的領域。同時，工作中也需要關注疾病機制，深入研究生物學。微流控晶片的工作則是在物理和化學的界面上進行的，晶片涉及的微納器件製造又屬於微電子與機械工程範疇。」來自於精準診療應用的需求，促使楊慧團隊在科研前沿不斷探索未知，與不同領域多學科專家碰撞思維。

「科學不是一個象牙塔，它最終有非常明確的服務於人群的目標。」楊慧最後表示，作為科研人員，她的情懷就是希望自己的工作和研究能發現疾病早期診斷與精準治療面臨的科學與技術問題，提出解決方案，讓研發成果真正走向應用。

來源：中國科學報

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