液滴微流控技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，為聚合合成生物、分子診斷、免疫治療、硅光芯片、DPU等前沿科技領(lǐng)域的頂尖人才、創(chuàng)新企業(yè)、產(chǎn)業(yè)、資本及政府資源，DeepTech于6月23-26日舉辦“DeepTech創(chuàng)新周2022”系列論壇，聚焦最前沿的技術(shù)賽道，近百位科學(xué)家和科技商業(yè)領(lǐng)袖共同參加，通過(guò)本次活動(dòng)進(jìn)一步打通從科研到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、從實(shí)驗(yàn)室到臨床的通路。

在6月24日的分子診斷論壇上，達(dá)普生物創(chuàng)始人許瀟楠做了題為《大海尋針：液滴微流控如何引領(lǐng)下一代生物產(chǎn)業(yè)》的分享。

許博士詳細(xì)介紹了液滴微流控技術(shù)對(duì)基因檢測(cè)、分子診斷領(lǐng)域的重塑，并分享了達(dá)普生物構(gòu)建的液滴微流控技術(shù)平臺(tái)底層邏輯及相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。

所謂的液滴微流控技術(shù)，指的是在封閉的微通道網(wǎng)絡(luò)中生成和操控上百萬(wàn)個(gè)納升至皮升級(jí)液滴的一種尖端技術(shù)，可以顯著加快生物、醫(yī)學(xué)研究速度，降低樣本消耗，為生物和醫(yī)學(xué)研究搭建了全新的平臺(tái)。

液滴微流控技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

上個(gè)世紀(jì)90年代，微流控技術(shù)因其精準(zhǔn)的樣本處理和加速生化反應(yīng)能力，被廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。微流控是指在微尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控的一種技術(shù)，該技術(shù)可以將化學(xué)、生物等實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)幾平方厘米芯片上，因此又被稱(chēng)為芯片上的實(shí)驗(yàn)室（Lab on Chip）。

相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，微流控技術(shù)把樣品反應(yīng)、制備、分離、檢測(cè)等生化實(shí)驗(yàn)的基本操作集成到很小的芯片上，以可控流體由微通道形成網(wǎng)絡(luò)貫穿于微流控系統(tǒng)，在更小的尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了常規(guī)生化實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)功能的同時(shí)，降低了分析檢測(cè)的試劑消耗量，加快了反應(yīng)速度，提高了反應(yīng)效率，使得實(shí)驗(yàn)可控性更強(qiáng)。

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)微流控技術(shù)的積累，利用互不相溶的兩液相產(chǎn)生分散的微液滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的液滴微流控技術(shù)快速發(fā)展了起來(lái)。微液滴，也稱(chēng)為“微型反應(yīng)器”，可在納升至皮升級(jí)的微液滴中進(jìn)行生化反應(yīng)。

通過(guò)將微流控技術(shù)與微液滴技術(shù)相結(jié)合，液滴微流控技術(shù)在提高了檢測(cè)靈敏度的同時(shí)，大大提高了反應(yīng)的通量，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)通量從1到10?的變革，為生物檢測(cè)及新藥研發(fā)提供了全新的平臺(tái)。液滴微流控技術(shù)具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括體積微小、生成速度快、通量高、大小均勻、體系封閉、單分散性良好等。

以生物醫(yī)藥領(lǐng)域常用的生物標(biāo)志物檢測(cè)為例：人體組織或生物體液中的核酸、蛋白質(zhì)、單細(xì)胞或小分子等的可靠檢測(cè)可用于確認(rèn)或預(yù)測(cè)疾病和疾病狀態(tài)。因此，高靈敏的生物標(biāo)志物檢測(cè)在疾病診斷、治療和藥物篩選等在內(nèi)的各種應(yīng)用中至關(guān)重要。不幸的是，對(duì)于許多疾病，人類(lèi)樣本中的生物標(biāo)志物豐度較低，傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)和篩查。

而液滴微流控裝置可以將大體積樣品離散成數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)微液滴——每個(gè)微液滴都用作一個(gè)隔離的反應(yīng)室，將靶標(biāo)分子隔離在每個(gè)反應(yīng)室中獨(dú)立進(jìn)行反應(yīng)——因此具有實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)的潛力。畢竟，體積的顯著減少有助于背景的等效減少和目標(biāo)生物標(biāo)志物的濃度的急劇增加，這反過(guò)來(lái)又增加了每個(gè)分離反應(yīng)的信號(hào)與背景比，同時(shí)，獨(dú)立的反應(yīng)單元，也避免了反應(yīng)之間的互相干擾，從而增加了測(cè)定的整體靈敏度。這種量變而帶來(lái)的質(zhì)變，正是液滴微流控技術(shù)將會(huì)帶領(lǐng)生物產(chǎn)業(yè)升級(jí)的原因。

除此之外，液滴微流控技術(shù)在醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。首先可用于快速單克隆抗體篩選，將傳統(tǒng)單克隆抗體篩選時(shí)間從3個(gè)月縮短到一天內(nèi)完成：傳統(tǒng)的雜交瘤及單B細(xì)胞、納米抗體篩選技術(shù)不但工作量大、周期長(zhǎng)，且成本高。

液滴微流控技術(shù)可快速將10?-10?細(xì)胞包裹成納升級(jí)的反應(yīng)檢測(cè)體系，以Droplet ELISA方式在細(xì)胞包裹后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)快速篩選出高表達(dá)細(xì)胞株，替代傳統(tǒng)微孔板ELISA 的單克隆篩選，將之前幾周的篩選工作壓縮到一天內(nèi)完成，并能更精準(zhǔn)、高效地篩選出分泌目標(biāo)抗體分子的雜交瘤細(xì)胞、單B細(xì)胞或噬菌體。

其次可用于優(yōu)化細(xì)胞治療的靶點(diǎn)，例如在TCR-T療法中，在TCR轉(zhuǎn)錄之后，需要對(duì)大量的T細(xì)胞進(jìn)行篩選以尋找正確的TCR-T細(xì)胞克隆，傳統(tǒng)的方法不但繁瑣、耗時(shí)且昂貴。

基于微流控液滴分選技術(shù)，在T細(xì)胞工程改造時(shí)引入報(bào)告基因，之后和靶標(biāo)腫瘤細(xì)胞同時(shí)包裹到微液滴中，之后即可根據(jù)報(bào)告基因熒光信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單個(gè)TCR-T細(xì)胞在識(shí)別靶腫瘤細(xì)胞后的激活情況并篩選出功能性TCR-T細(xì)胞，基于微流控液滴分選技術(shù)的TCR篩選原型為促進(jìn)免疫治療篩選和T細(xì)胞治療的發(fā)展提供了一個(gè)革新性的工具。

另外還可為藥物的遞送和釋放搭建全新平臺(tái)，提供新的研究方向：例如，使用液滴微流控技術(shù)來(lái)評(píng)估細(xì)胞中的藥物攝取、消逝與細(xì)胞毒性，并在單細(xì)胞和多細(xì)胞的相互作用中建立了適合藥物篩選的液滴微流控平臺(tái)。

當(dāng)然，液滴微流控技術(shù)目前也存在諸多挑戰(zhàn)。首先，作為液滴微流控技術(shù)的核心元器件之一，微流控芯片的設(shè)計(jì)與制作非常關(guān)鍵，目前聚二甲基硅氧烷（PDMS）和軟光刻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微流控芯片的制備，但是為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)和臨床應(yīng)用，更低廉、穩(wěn)定的芯片制作材料，以及更簡(jiǎn)單便捷的芯片加工工藝也需要進(jìn)一步的研究和探索。

其次，液滴微流控產(chǎn)生的液滴體積非常小、速度快、數(shù)量多，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)大量微液滴進(jìn)行快速檢測(cè)分析也是一個(gè)難點(diǎn)。

最后，大規(guī)模集成是微流控芯片的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，但是如何將模塊化的液滴微流控單元與上下游功能單元大規(guī)模集成于一個(gè)多功能的微流控平臺(tái)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能操作，仍然需要進(jìn)一步的努力和研究。

打造生物制藥的工業(yè)級(jí)解決方案

2018年，達(dá)普生物孵化于美麗的清水灣之畔——香港科技大學(xué)。作為達(dá)普生物的創(chuàng)始人，畢業(yè)于香港科技大學(xué)的許瀟楠博士深耕于液滴微流控領(lǐng)域近十年，在液滴微流控技術(shù)、芯片設(shè)計(jì)、生物化學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械和光學(xué)等高度學(xué)科交叉的領(lǐng)域有豐富的產(chǎn)學(xué)研經(jīng)驗(yàn)，曾發(fā)表過(guò)數(shù)十篇相關(guān)論文，擁有數(shù)十項(xiàng)相關(guān)專(zhuān)利。

不同于大多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)專(zhuān)注于應(yīng)用層面，達(dá)普生物在創(chuàng)立之初就選擇了一條艱難的道路，致力于成為一家掌握底層核心技術(shù)的上游公司，通過(guò)整合生物、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、自動(dòng)化等領(lǐng)域的人才，從液滴微流控的底層技術(shù)出發(fā)構(gòu)建生物制藥的工業(yè)級(jí)解決方案。

首先是微液滴的操縱模塊。不同于實(shí)驗(yàn)室中使用移液槍對(duì)樣本進(jìn)行混合和分析，微流控技術(shù)生成的液滴多達(dá)上百萬(wàn)個(gè)，如何在上百萬(wàn)個(gè)液滴中實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的精準(zhǔn)控制，背后涉及非常復(fù)雜的流體控制和光機(jī)電自動(dòng)化的配合。早期，許瀟楠博士所在的團(tuán)隊(duì)在香港科技大學(xué)做了大量的工作，發(fā)表了一系列學(xué)術(shù)論文和專(zhuān)利，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

其次是微流控芯片的設(shè)計(jì)與規(guī)?；慨a(chǎn)。過(guò)去三年，達(dá)普生物成功解決了芯片的設(shè)計(jì)和量產(chǎn)問(wèn)題，擁有自主的微流控芯片生產(chǎn)線，打通了從原型設(shè)計(jì)、開(kāi)模、復(fù)制成型、后期處理以及質(zhì)控等各環(huán)節(jié)。這也是達(dá)普生物的核心競(jìng)爭(zhēng)力，可以快速高效地進(jìn)行產(chǎn)品迭代、控制成本、嚴(yán)格把控質(zhì)量。

基于已構(gòu)建的底層技術(shù)，達(dá)普生物開(kāi)發(fā)了三大工業(yè)級(jí)的技術(shù)平臺(tái)。

第一個(gè)是單細(xì)胞高通量篩選平臺(tái)。其原理是對(duì)微液滴的熒光信號(hào)進(jìn)行預(yù)判，可識(shí)別包裹在微液滴中細(xì)胞的基因組或者蛋白組信息或者細(xì)胞分泌的分子信息，然后通過(guò)介電泳的作用，將某個(gè)分群的功能性細(xì)胞挑選出來(lái)，單次可實(shí)現(xiàn)10?量級(jí)的微液滴分選。這一系統(tǒng)在單克隆抗體篩選、細(xì)胞治療靶點(diǎn)優(yōu)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，可以顯著縮短篩選流程。

第二個(gè)是單細(xì)胞測(cè)序建庫(kù)平臺(tái)。達(dá)普生物自主研發(fā)的星海單細(xì)胞建庫(kù)平臺(tái)，基于專(zhuān)利的壓力不敏感液滴生成與水凝膠編碼微球技術(shù)，可快速實(shí)現(xiàn)1-4樣本的單細(xì)胞測(cè)序文庫(kù)構(gòu)建。

其原理是通過(guò)給每一個(gè)微液滴打上編碼，當(dāng)細(xì)胞在微液滴中裂解時(shí)，編碼微球上的核酸序列引入到cDNA序列中，直接給每個(gè)細(xì)胞的基因組加上分子標(biāo)簽，在分析測(cè)序數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)分子標(biāo)簽信息將基因回歸到單個(gè)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平精度的基因信息分析。

第三個(gè)是數(shù)字PCR平臺(tái)。達(dá)普生物自主研發(fā)的第三代數(shù)字PCR技術(shù)，相比于實(shí)時(shí)熒光定量PCR具有更高的精密度、靈敏度與抗干擾性，并可以對(duì)核酸分子進(jìn)行精準(zhǔn)定量，特別適合基質(zhì)復(fù)雜樣品的檢測(cè)，例如生物藥生產(chǎn)與質(zhì)檢環(huán)節(jié)中對(duì)殘留DNA的檢測(cè)。

在細(xì)胞和基因療法、生物類(lèi)似藥、疫苗類(lèi)藥物的生產(chǎn)或質(zhì)檢環(huán)節(jié)中，現(xiàn)行各國(guó)藥典中對(duì)于制劑的殘留DNA檢測(cè)方法主要有4種：雜交法、閾值法、熒光染料法和PCR法。數(shù)字PCR法因?yàn)闃O高的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確性，可為生物制藥工業(yè)在工藝研究和成品質(zhì)量控制方面提供更精準(zhǔn)、可靠的檢測(cè)手段，現(xiàn)也已經(jīng)逐漸成為各生物制品廠家首選的檢測(cè)方法。

原文標(biāo)題：基于液滴微流控底層技術(shù)，達(dá)普生物打造生物制藥的工業(yè)級(jí)解決方案

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