微流控(MFs)設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)的最新進(jìn)展使得將傳統(tǒng)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室小型化為微通道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為可能，該系統(tǒng)已成為一種高效且低成本的工具。生物醫(yī)學(xué)微型設(shè)備包括由許多微米和納米尺寸的集成設(shè)備組成的集成結(jié)構(gòu)，從粒子操縱到傳感的許多過程都在平臺(tái)中進(jìn)行。微流控在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中最有前景的應(yīng)用之一是疾病診斷，包括癌癥診斷和傳染病診斷。然而，微制造的進(jìn)一步發(fā)展是在疾病建模中使用微流控設(shè)備。這篇文章討論了微流控系統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

診斷中的微流控技術(shù)

1、癌癥檢測(cè)

癌癥可發(fā)生在任何組織中，是世界上最常見、最致命的疾病之一。及時(shí)診斷癌癥的重要性是無可爭(zhēng)議的。如今,斷層掃描、磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描等方法被用于癌癥診斷和分期。癌癥的診斷和治療需要新的方法，因?yàn)橐陨线@些方法需要患者暴露于高劑量的輻射中，而且后續(xù)需要采用化學(xué)治療。微流控技術(shù)涉及小型化設(shè)備和精確分析技術(shù)，在細(xì)胞培養(yǎng)、藥物輸送、DNA擴(kuò)增和護(hù)理點(diǎn)(POC)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面很有前景。癌癥治療中使用的化學(xué)療法通常會(huì)導(dǎo)致許多副作用?？梢酝ㄟ^將成像或定位劑附著在納米顆粒上，來實(shí)現(xiàn)治療和診斷。以這種方式用于此目的的微流控系統(tǒng)包括治療納米顆粒。Theranostic納米顆?？捎糜诒O(jiān)測(cè)藥物遞送、藥物釋放、療效、癌癥分期的確定以及適當(dāng)劑量下藥物遞送的中介。載有化療藥物的納米顆粒載體在將藥物輸送到靶標(biāo)位置時(shí)引起的全身毒性最小。例如，熒光5-氨基乙酰丙酸殼聚糖納米顆粒與海藻酸鹽結(jié)合并與葉酸結(jié)合，被用于大腸癌癌癥細(xì)胞的內(nèi)窺鏡檢測(cè)。這些納米顆粒通過葉酸受體進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，與溶酶體釋放的 5-氨基乙酰丙酸一起在細(xì)胞中積累原卟啉IX，因此被證明是檢測(cè)的理想載體。Ryu等人證明，在三種小鼠模型中，與乙二醇?xì)ぞ厶羌{米顆粒表面偶聯(lián)的組織蛋白酶B敏感熒光肽探針可以過濾健康細(xì)胞中的癌癥轉(zhuǎn)移細(xì)胞。另一項(xiàng)研究工作包括在體外和體內(nèi)研究中使用透明質(zhì)酸、氧化鐵和高喜樹堿納米顆粒治療人類鱗狀細(xì)胞癌。Baghbani等人表明，超聲介導(dǎo)的多柔比星負(fù)載海藻酸鹽穩(wěn)定的全氟己烷納米液滴治療使得癌癥小鼠的腫瘤消退。

微流控系統(tǒng)也用于標(biāo)定癌癥生物標(biāo)志物，如CTC、ctDNA、外泌體、ncRNA和各種細(xì)胞代謝產(chǎn)物或蛋白質(zhì)。此外，常規(guī)測(cè)量癌癥患者少量液體樣本中的生物標(biāo)志物有助于個(gè)性化醫(yī)療。由于CTC主要表達(dá)上皮細(xì)胞粘附分子，因此使用CTC芯片上的抗體從血液中進(jìn)行選擇。隨著微流控技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)增加了去毛刺、慣性聚焦和磁選步驟，命名為CTC-iChip。Ganesh等人設(shè)計(jì)了另一種基于Zn0電極和pH傳感器的微流控芯片，用于分離CTC。單片CTCiChip使用細(xì)胞角蛋白、HER2和前列腺特異性抗原等表位來區(qū)分CTC。在微流控的蛋白質(zhì)印跡中，用八叢蛋白板對(duì)患者來源的CTC的表達(dá)進(jìn)行了分析。CTC膜蛋白圖譜中使用的適體納米載體通過多光譜正交表面增強(qiáng)拉曼光譜分析鑒定了不同的癌癥亞群。

2、心血管疾病檢測(cè)

心血管疾病(CVD)，如中風(fēng)、冠狀動(dòng)脈和高血壓，是由心臟及其相關(guān)血管的功能障礙引起的。心血管疾病是人類社會(huì)中導(dǎo)致人類過早死亡的主要原因。社會(huì)、環(huán)境、心臟代謝和行為風(fēng)險(xiǎn)因素是CVD的一些主要決定因素。然而，由于氧化應(yīng)激的誘導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致生物反應(yīng)和活性氧(ROS)的變化。CVD的診斷對(duì)于降低死亡率至關(guān)重要，目前臨床上應(yīng)用了幾種基于生物標(biāo)志物或分子成像(MOI)的檢測(cè)技術(shù)。然而，為了建立有效的診斷系統(tǒng)，有必要提高當(dāng)前心血管疾病早期檢測(cè)診斷的準(zhǔn)確性、敏感性和特異性。微流控診斷平臺(tái)具有便攜性、快速響應(yīng)分析和低試劑使用率等優(yōu)點(diǎn),可用于檢測(cè)CVD生物標(biāo)志物。為此,用特定的抗原修飾微通道，以確定CVD相關(guān)的生物標(biāo)志物，并進(jìn)行了多項(xiàng)研究。許多血源性生物標(biāo)志物，如心肌肌鈣蛋白I(cTnI)、纖維蛋白原和C反應(yīng)蛋白(CRP)與心血管疾病有關(guān)。然而，目前用于診斷的測(cè)定方法成本高、時(shí)間效率低，并且容易發(fā)生批次間的變化。Sinha等人構(gòu)建了一種便攜式微流控設(shè)備，集成了適體探針和基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的傳感器陣列。所提出的裝置可以在5分鐘內(nèi)從小體積的臨床樣本中識(shí)別出四種與心血管疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物,如CRP、cTnI、纖維蛋白原和N-末端腦鈉肽前體(Nt-proBNP)，并為新型心血管疾病POCT 提供了有利的結(jié)果。心力衰竭(HF)是一種常見的CVD，血液中NT-proBNP水平的變化與HF的診斷有關(guān)。然而，目前的臨床CVD檢測(cè)方法不夠精確，無法根據(jù)NT-proBNP生物標(biāo)志物的一個(gè)單一截止值來評(píng)估HF的嚴(yán)重程度和進(jìn)展，而該生物標(biāo)志物長(zhǎng)時(shí)間的上升可能是HF 的信號(hào)。

因此，NT-proBNP的POC監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)防HF至關(guān)重要。例如，Beck等人開發(fā)了一種微流控生物傳感器芯片，通過修飾銀納米粒子(AgNPs)作為標(biāo)記來確定NT-proBNP水平的變化。為此，在檢測(cè)抗體修飾的AgNPs時(shí)，通過流動(dòng)注射分析(FIA)將層流分析(LFA)和電化學(xué)分析相結(jié)合。所開發(fā)的生物傳感器允許在家中使用簡(jiǎn)單的手指點(diǎn)刺來精確檢測(cè)NT-proBNP。急性心肌梗死(AMI)是一種廣泛發(fā)生的心血管疾病，危及生命，有時(shí)診斷起來很困難，因?yàn)槠浒Y狀可能與其他疾病混淆。因此，Yin等人展示了一種蝸牛形微流控平臺(tái)，用于檢測(cè)肌紅蛋白(Myo)、cTnI和肌酸激酶MB(CK-MB)生物標(biāo)志物，用于診斷AMI。他們利用化學(xué)發(fā)光(CL)檢測(cè)器設(shè)計(jì)了一種微流控芯片，并在芯片的中間進(jìn)行涂層，該芯片具有基于特定抗體的反應(yīng)層。因此，他們獲得了一種POCT候選物，該候選物能夠在短時(shí)間內(nèi)以更高的靈敏度診斷三種 AMI相關(guān)生物標(biāo)志物。

3、呼吸道感染檢測(cè)(SARS-CoV-2)

新型冠狀病毒疾病(新冠肺炎)于2019年末首次報(bào)告，在發(fā)現(xiàn)后約一年內(nèi)導(dǎo)致全球 6600多萬人感染。嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2型是一種核糖核酸病毒，可以通過呼吸在個(gè)體之間快速傳播，并在鼻腔、咽部和下呼吸道等特定區(qū)域發(fā)展?？刂茋?yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2型傳播的重要階段之一是早期診斷。因此，研究人員一直在努力尋找一種快速、廉價(jià)、便攜、靈敏的檢測(cè)替代品。在整個(gè)大流行期間，基于微流控的檢測(cè)策略已被廣泛開發(fā)用于新冠肺炎疾病的定點(diǎn)檢測(cè)。這些策略可以根據(jù)微流控設(shè)備中的檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行分類:抗原檢測(cè)、抗嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2型抗體檢測(cè)和核酸檢測(cè)。在另一項(xiàng)研究中，Ho等人設(shè)計(jì)了一種一次性護(hù)理點(diǎn)數(shù)字微流控盒，通過實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(qPCR)檢測(cè)嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2型中的N基因。根據(jù)這項(xiàng)研究，DMF試劑盒顯示出均勻的液滴形成、均勻的溫度控制和合適的熒光讀數(shù)，從而能夠進(jìn)行qPCRPOC 測(cè)試。

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