关于微液滴技术的思考(下篇)

发布时间:2019-03-18    浏览:88次

五、应用优势

如前所述,微液滴的应用不胜枚举,关于应用的综述文章较多(Emerging Droplet Microfluidics),可以进行参考。既然液滴的应用广泛,必然是因为其具有一定的优势,主要体现在以下几个方面(Table 2),如果没有时间大量阅读应用类文献,可以通过其优势体现,进行判断是否采用微液滴技术。

Table 2

优势

解释

应用实例代表

体积小

常规10-500μm直径,可生成亚微米级别和亚毫米级别液滴

昂贵试剂应用,例如酶筛选、药筛,节省成本

体积可控

直径调节范围大

正交试验等,包裹的试剂含量随时可变,灵活性好

生成速率快

芯片载体可实现5000HZ

高通量应用/材料领域应用,节省时间

可操控

多种后续单元操作

生化领域多步操作,节省人工/灵活性好

多组分

单个液滴理论上可包含无数个不同的组份

涉及到反应过程的领域,节省时间/人工

传质传热均一

体积小、传质传热充分

材料合成领域、涉及传热的生化反应过程,节省时间/成本

微流控学科的交叉特性,造成了领域内的研究人员背景差别较大,其中比较有代表性的是工程背景和分析背景。之所以提到这个问题,是早期会议的时候,我们发现工程背景的研究人员做的应用多数是材料方面。讨论起来,除了工程背景的人对生物学不甚了解之外,另外有一个误区是,工程背景的研究人员缺乏生物领域的统计思维,微液滴作为工具,不要求其百分之百成功,其结果更多是一个统计意义,符合生物学的概念。然而工程背景的研究人员对此认识不足,笔者的一个同学在做应用的时候,保持着工程思维,希冀液滴操控的100%成功,浪费了不少时间。

六、产业化

说起液滴产业化,有几条主线,第一条首推ddPCR,2011年Bio-rad的ddPCR先驱工作,Ranindance后续跟进。直至2018年和2019年,伯乐的数字PCR产品才分别通过了CE和FDA认证。罗氏、赛默飞、Illumina、凯杰都有数字PCR产品布局信息,然而是否液滴形式,还需要进一步确认。目前国内的小海龟、永诺生物、新羿生物、锐迅生物,卡尤迪、领航基因、代理Stilla Technologies的深蓝云、思纳福医疗都已经开发了ddPCR产品。

第二条,单细胞分析相关。单细胞操控和分析的重要意义在此不做赘述,可以说目前单细胞的工作就是建立在微流控芯片基础上的。比较知名的单细胞测序技术平台有五种:Illumina® Bio-Rad®、BD Rhapsody™、10x Chromium、ICELL8和C1™。其中Illumina® Bio-Rad®和10x Chromium系统都用到了微液滴技术。几种平台比较下来各有优缺点,然而10 X Chromium平台的通量高,周期快速,成本低,细胞捕获效率高,性能优势比较明显,并且商业化仪器操作简便,充分体现了微液滴技术的优势。国内的怡天生物、新格元等都有在类似领域进行推进。此外,提供这种建库工具和解决方案的企业比较多,包括dolomite的Nadia,GemCode、EmulTech、Sphere Fluidics Ltd、大连华微生命科技有限公司等一大批企业和技术。

第三条,微液滴在材料、化妆品和载药等领域的应用,需要一定的液滴生产通量,产品包括了dolomite的Mitos Dropix® Systems、Telos® Systems、EmulTech等。David A. Weitz教授和香奈儿推出的基于山茶花微液滴技术的乳霜,需要液滴的稳定大量生成,而不需要过多的后续操作。

第四条,GnuBioAqdrop等将微流控芯片和电极、或者直接引入电浸润技术,充分利用平台对液滴操控能力的产品,应用仍然主要集中在分子或者测序领域。

最后也是最令笔者惊喜的是,今年在翻看mf9的目录时( Microfluidicsconsortium public domain website),发现了将液滴平台用于微生物筛选、酶抑制剂筛选、药筛的企业(BioMilleniaHifibio,目录有待补充)。笔者认为,微液滴技术在药筛、药代、酶抑制剂等涉及到规模化筛选需求的领域,会得到更广泛的应用,甚至在未来得到比目前在分子和测序领域更广泛的应用。上述应用能够体现液滴的诸多优势,包括了体积小、高通量、多组分、可操控。体积小能够节省试剂成本,减少三废。高通量满足筛选的需求,节省人工和时间。

至于目前筛选相关产品较少的原因,包括以下几点:1)上述高通量筛选领域,同时有多种液体和多个浓度的需求,这就是上面说的维度过多问题,现阶段上述技术问题仍然难以解决;2)药物开发或者酶筛选等需求,个性化太强,相关研发企业标准和过程差别较大,一方面加大了开发难度,另一方面服务型企业很难介入上述产品的开发过程;3)相关产品开发难度较大,高于同类IVD产品的开发;4)微液滴在分子和测序领域的应用,能够快速创造价值,多数企业选择这一路径;5)基于微液滴的高通量筛选产品,对于部分药物研发企业来说,属于自主开发的工具,不会进行披露和销售,几年的国际会议,就有报道过国外在开发类似的系统。然而,无论如何,我们看到越来越多的企业介入这一领域,国内某肝健康药物的上市公司,2018年在南京创办企业,专门从事基于微流控技术的药物开发平台。希望能够看到微液滴在上述筛选领域得到应用。

2016年在会议上见到了DavidA. Weitz,当时问过他关于液滴应用和产业化的问题,当时他给出三个限制液滴规模应用的问题,灵活性、稳定性和表面活性剂的限制。时至今日,上述问题仍需解决。总结下来,微液滴的优势和潜在应用,已经十分明显,目前限制其规模进一步应用的技术难点主要包括

1)如何稳定高通量的提供多个待考察的维度,且可避免交叉污染(试剂种类和试剂浓度等);

2)在高通量筛选领域的应用,要求其具有一定的自动化程度,并且具有开源的特性,毕竟应用需求差别较大;

3)配合试剂的普及和成本控制,目前细胞实验所需的油相和表面活性剂价格昂贵。

后记

在此,感谢以林炳承老师为代表的一大批早期进入微流控领域的学者,他们为国内的微流控学科发展倾注了心血。他们的不懈努力,让基金委、科技部等相关部委和地方政府了解到行业的发展和应用前景,逐步对领域发展给与支持。早期的研究人员,申报自然科学基金,没有对口的领域,到目前大量的重大专项以上级别的项目支持微流控领域的发展。

前人栽树,后人乘凉,新进入领域的研究人员,应该了解早期科研人员的辛苦付出,认识到今天的科研环境来之不易,对人对科研保持一颗敬畏之心。

作为微液滴基础科研大军中的一员,有幸见证这一技术的发展壮大,希望在共同的努力下,能够见到其应用遍地开花的一刻。


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