CN103257213B - 一种全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统 - Google Patents
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Abstract
一种全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，该系统是以微流控芯片为核心技术，从集成化、高通量、自动化微流控芯片系统总体设计入手，构建的一个集细胞功能芯片模块、流路控制模块、细胞培养微环境模块和细胞响应信号实时监测模块于一体的多功能细胞水平药物评价系统。该系统具有全集成，通量高，样品消耗量少，全封闭运行，可进行多参数实时监测等特点，具有很强的原始创新性，对于大规模药物研发具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于细胞水平药物评价技术领域，特别提供了一种全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统。
背景技术
药效评价及作用机理研究是药物创新的重要环节，即通过对备选化合物作用机理的观测和研究来确定其治疗作用和一般药理作用，为新药临床试验提供可靠依据。传统药物评价方法因动物与动物，动物与人体间的属性差异以及评价技术手段的局限性而导致新药研发中的低效率和高成本，这已成为药物研发的瓶颈之一。目前已有多种药物评价模型，由于细胞水平评价更接近于生理条件，准确率高，干扰因素少，是开展药物评价的主要模型。目前，细胞水平药物评价采用的主要技术途径是阵列微孔板，在微孔板上进行细胞培养，施加药物刺激，并辅之以自动化装置和高分辨率荧光数码影像系统进行实验操作和数据采集、分析。基于这种形式的细胞水平药物评价尚存在诸多的技术问题，如孔板尺寸固定，仅能在静态模式下操作，无法实现对流体的自动控制，同时与之配套的自动操作设备和检测系统模式单一，无法针对各种细胞功能实验的特点进行灵活变换，更难以实现细胞对外部刺激响应过程的实时监测。因此，原则上只能获得细胞响应信息的终端结果，而难以获取细胞对药物反应的实时动力学响应信息和其它生物学信息。更为重要的是，目前所用的仪器装置大都依赖于进口，尽管其自动化程度有所改善，但试剂消耗量较大、设备体积庞大，且价格昂贵，形成了国外商家和企业对该市场领域的垄断局面。因此，在新的药物靶点不断出现，生物技术药物等新药品种不断增加，新药研发领域竞争日趋激烈的新形势下，建立和发展拥有自主知识产权、具有集成化、高通量、实时检测、自动化特征的新型细胞水平药物评价系统面临很迫切的需要，这也是我国新药研发和药学评价等领域亟待解决的问题。
微流控系统，指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。它的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成。微流控芯片所特有的微尺寸特征与细胞大小相匹配，加之芯片灵活的设计和规模集成特征，非常适合进行细胞功能研究。特别是，由于微流控芯片的多维网络特征和功能集成特征，已经有可能使常规的药效评价及作用机理研究过程集成在一块很小的芯片上完成。以细胞为对象的微流控芯片研究近几年发展很快，一方面表现为芯片上各种与细胞操控相关的单元技术如微泵、微阀、光镊、电泳等日趋成熟，另一方面则体现在细胞培养、细胞分选、细胞裂解等与细胞研究相关的核心技术已经基本掌握，完全有可能使常规的细胞培养、细胞受激、细胞标记和检测等过程集成在一块很小的芯片上完成。各种单元技术的规模集成可使几十甚至上百组实验平行进行，以获取大量生物学信息。
至今，国际制药界已意识到微流控技术所蕴含的巨大潜力，有业界人士预言微流控技术无疑会在未来药物发现领域中占有举足轻重的地位。已有研究者尝试将微流控芯片与膜片钳技术结合，用于以离子通道为作用靶点的药物研究。也有研究者集中于芯片流路控制方面的研究，并尝试解决实际的生物学问题。但整体而言，微流控芯片系统用于药效评价及作用机理研究尚处于起步阶段，对芯片平台的选择、设计、优化以及实际应用等方面的工作还未真正展开，检测对象相对零散和单一。特别是对于研制包含流体控制模块、细胞培养微环境模块等多功能的集成化微流控药物评价系统研究尚未见报导，也未见有相关专利申请。
基于上述现状，发明人以微流控芯片为核心技术，构建一个集细胞功能芯片模块、流路控制模块、细胞培养微环境模块和细胞响应信号实时监测模块于一体的全集成自动化细胞水平药物评价系统具有重要的现实意义，这对于面向重大实际需求，解决与医药前沿领域密切相关的关键瓶颈问题具有重要意义。与现有技术相比，该系统不仅能为细胞生长提供更接近生理条件的体内微环境，而且可将不同操作单元灵活组合、规模集成，在计算机编程的辅助下实现全自动操作，缩短评价时间，减少细胞的实际消耗。此外，通过更换功能化微流控芯片模块，该系统还可实现多参数、高通量药物评价，以及对细胞响应信号的实时追踪分析，其预期可能收集到的各种实时细胞响应信息是现有技术和仪器所无法获得的。
发明内容
本发明的目的是提供了一种全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，该系统具有全集成，通量高，样品消耗量少，全封闭运行，可进行多参数实时监测等特点。
本发明提供了一种全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，该系统由药物评价用功能芯片模块、药物评价用流体控制模块、细胞培养微环境控制模块、细胞荧光响应信号实时监测模块四个模块组成。
本发明提供的全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，所述药物评价用功能芯片模块为一种基于PDMS聚合物材料和软蚀刻技术的微流控芯片，由1～10个(优选4个)相同的结构单元组成，每个结构单元可检测1～10种(优选3种)药物的作用，通过精确的泵阀控制，可形成多种药物浓度梯度或不同药物的组合。
本发明提供的全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，所述药物评价用流体控制模块为微流控芯片的流体控制系统，由阵列微型注射泵和芯片上的微阀/微泵组成，在计算机编程的辅助下实现全自动控制，其功能为实现芯片上培养基、药物等液体的添加、输运和浓度调节等流路控制。
本发明提供的全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，所述细胞培养微环境控制模块由可固定于显微镜载物台的细胞培养室、气体控制系统、温度湿度控制系统构成，芯片置于该培养室内，通过一系列传感器和控制单元维持其内稳定的细胞培养温度、湿度以及CO2气体浓度，使连续的细胞在线培养和细胞信号实时监测得以实现。
本发明提供的全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，所述细胞荧光响应信号实时监测模块采用电控扫描的共聚焦荧光检测技术实现，该模块主要包括电控荧光成像平台、CCD信号采集系统、数据处理系统三部分。
本发明具有如下优点：
1.可实现对细胞响应信号的实时追踪分析。
2.细胞和试剂消耗量少，可实现多参数、高通量药物评价。
3.可在计算机编程的辅助下实现全自动、全封闭运行，缩短评价时间，减少细胞污染几率。
附图说明
图1全集成高通量微流控芯片药物评价系统的组成；
图2药物评价用功能芯片设计示意图，其中，a芯片示意图，b局部放大图；
图3细胞培养微环境模块示意图，其中，a模块示意图，b细胞培养显微载物台示意图；
图4全集成高通量微流控芯片药物评价系统示意图。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例
按照图1所示搭建全集成高通量微流控芯片药物评价系统，该系统由四个模块组成。首先，按照图2所示制作药物评价用功能芯片，芯片自上而下分液路层、PDMS薄膜层、气路层和玻璃。前三层均为PDMS材料，各层之间采用等离子体进行封接，通过特定的设计形成芯片上微阀。其次，搭建由阵列微型注射泵和芯片上的微阀组成的流体控制模块。搭建细胞培养微环境模块。此模块由可固定于显微镜载物台的细胞培养室、气体控制系统、温度湿度控制系统构成(如图3所示)。搭建细胞响应信号实时监测模块，主要包括电控荧光成像平台、CCD信号采集系统、数据处理系统三部分。最后，将四个模块通过连接装置整合成一个完整的系统(如图4所示)
维持细胞培养室内的温度在37℃，CO2水平为5％，保持较高的相对饱和湿度(95％)。将制作好的芯片紫外照射灭菌后放入细胞培养室内，将细胞培养室固定于细胞响应信号实时监测模块之内。通过注射泵从芯片中心的细胞接种通路注入肝癌细胞HepG2细胞悬液(约107/ml)，过夜。通过注射泵由药物1入口注入依托铂苷，药物2入口注入卡铂，药物3入口注入丝裂霉素，通过调节芯片上各个微阀的开启/关闭，得到三种药物的不同浓度和不同药物组合。24小时后，通过注射泵从芯片中心的细胞接种通路注入4μg/mlHoechst33342和2μg/mlRh123，20分钟后，注入PBS缓冲液进行清洗，再注入2μg/mlPI，采用细胞响应信号实时监测模块进行检测并拍照。
Claims (1)
1.一种全集成高通量细胞水平微流控芯片药物评价系统，其特征在于：该系统由药物评价用功能芯片模块、药物评价用流体控制模块、细胞培养微环境控制模块、细胞荧光响应信号实时监测模块四个模块组成；
所述药物评价用功能芯片模块由1～10个相同的结构单元组成，每个结构单元可检测1～10种药物的作用，通过精确的泵阀控制，可形成多种药物浓度梯度或不同药物的组合；
所述药物评价用流体控制模块为微流控芯片的流体控制系统，由阵列微型注射泵和芯片上的微阀/微泵组成；
所述细胞培养微环境控制模块由可固定于显微镜载物台的细胞培养室、气体控制系统、温度湿度控制系统构成，芯片置于该培养室内，通过一系列传感器和控制单元维持其内稳定的细胞培养温度、湿度以及CO2气体浓度，使连续的细胞在线培养和细胞信号实时监测得以实现；
所述细胞荧光响应信号实时监测模块采用电控扫描的共聚焦荧光检测技术实现，该模块主要包括电控荧光成像平台、CCD信号采集系统、数据处理系统三部分。
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