微流控(MFs)設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)的最新進展使得將傳統(tǒng)的生物化學(xué)實驗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中進行。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

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。及時診斷癌癥的重要性是無可爭議的。如今,斷層掃描、磁共振成像和計算機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，因為以上這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)，在細胞培養(yǎng)、藥物輸送、DNA擴增和護理點(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)療法通常會導(dǎo)致許多副作用。可以通過將成像或定位劑附著在納米顆粒上，來實現(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)測藥物遞送、藥物釋放、療效、癌癥分期的確定以及適當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位置時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胞的內(nèi)窺鏡檢測。這些納米顆粒通過葉酸受體進入腫瘤細胞，與溶酶體釋放的 5-氨基乙酰丙酸一起在細胞中積累原卟啉IX，因此被證明是檢測的理想載體。Ryu等人證明，在三種小鼠模型中，與乙二醇殼聚糖納米顆粒表面偶聯(lián)的組織蛋白酶B敏感熒光肽探針可以過濾健康細胞中的癌癥轉(zhuǎn)移細胞。另一項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胞癌。Baghbani等人表明，超聲介導(dǎo)的多柔比星負載海藻酸鹽穩(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)也用于標定癌癥生物標志物，如CTC、ctDNA、外泌體、ncRNA和各種細胞代謝產(chǎn)物或蛋白質(zhì)。此外，常規(guī)測量癌癥患者少量液體樣本中的生物標志物有助于個性化醫(yī)療。由于CTC主要表達上皮細胞粘附分子，因此使用CTC芯片上的抗體從血液中進行選擇。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，用八叢蛋白板對患者來源的CTC的表達進行了分析。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拉曼光譜分析鑒定了不同的癌癥亞群。

2、心血管疾病檢測

心血管疾病(CVD)，如中風(fēng)、冠狀動脈和高血壓，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中導(dǎo)致人類過早死亡的主要原因。社會、環(huán)境、心臟代謝和行為風(fēng)險因素是CVD的一些主要決定因素。然而，由于氧化應(yīng)激的誘導(dǎo)會導(dǎo)致生物反應(yīng)和活性氧(ROS)的變化。CVD的診斷對于降低死亡率至關(guān)重要，目前臨床上應(yīng)用了幾種基于生物標志物或分子成像(MOI)的檢測技術(shù)。然而，為了建立有效的診斷系統(tǒng)，有必要提高當前心血管疾病早期檢測診斷的準確性、敏感性和特異性。微流控診斷平臺具有便攜性、快速響應(yīng)分析和低試劑使用率等優(yōu)點,可用于檢測CVD生物標志物。為此,用特定的抗原修飾微通道，以確定CVD相關(guān)的生物標志物，并進行了多項研究。許多血源性生物標志物，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，目前用于診斷的測定方法成本高、時間效率低，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別出四種與心血管疾病相關(guān)的生物標志物,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檢測方法不夠精確，無法根據(jù)NT-proBNP生物標志物的一個單一截止值來評估HF的嚴重程度和進展，而該生物標志物長時間的上升可能是HF 的信號。

因此，NT-proBNP的POC監(jiān)測對預(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)作為標記來確定NT-proBNP水平的變化。為此，在檢測抗體修飾的AgNPs時，通過流動注射分析(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單的手指點刺來精確檢測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，有時診斷起來很困難，因為其癥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，用于檢測肌紅蛋白(Myo)、cTnI和肌酸激酶MB(CK-MB)生物標志物，用于診斷AMI。他們利用化學(xué)發(fā)光(CL)檢測器設(shè)計了一種微流控芯片，并在芯片的中間進行涂層，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間內(nèi)以更高的靈敏度診斷三種 AMI相關(guān)生物標志物。

3、呼吸道感染檢測(SARS-CoV-2)

新型冠狀病毒疾病(新冠肺炎)于2019年末首次報告，在發(fā)現(xiàn)后約一年內(nèi)導(dǎo)致全球 6600多萬人感染。嚴重急性呼吸系統(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?？刂茋乐丶毙院粑到y(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、便攜、靈敏的檢測替代品。在整個大流行期間，基于微流控的檢測策略已被廣泛開發(fā)用于新冠肺炎疾病的定點檢測。這些策略可以根據(jù)微流控設(shè)備中的檢測機制進行分類:抗原檢測、抗嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2型抗體檢測和核酸檢測。在另一項研究中，Ho等人設(shè)計了一種一次性護理點數(shù)字微流控盒，通過實時定量聚合酶鏈式反應(yīng)(qPCR)檢測嚴重急性呼吸系統(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)，從而能夠進行qPCRPOC 測試。

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