微流控一次性诊断的应用
2008年2月3日
在这次采访中，博士Klapperich讨论制造热塑性塑料微流控设备和开发新的诊断方法中的应用。
我叫 Catherine CloudBridge，是波士顿大学制造、工程和生物医学工程专业的教授。我是生物医学微设备和微环境实验室的主任。我们主要致力于为资源受限环境中的应用程序制作一次性诊断。
因此，我们使用微流体来制造这些设备。我们实际上对两个研究领域感兴趣。首先，我们感兴趣的是研究生物分子和细胞如何与塑料聚合物表面相互作用。
这是我们的主要保护伞。这项工作体现在一次性诊断的微流体应用中。所以在实验室里，我们制造的是微流体设备。
在我们不使用的热塑性材料中，通常使用 PDMS，这是大多数人在实验室中用于制造微流体的橡胶材料。我们用热塑性塑料制造我们的设备。我们有兴趣使用这些热塑性设备在微观尺度上进行分子生物学研究，这样分子生物学就可以在远离中心实验室的现场进行。
在实验室中，我们制作小塑料卡，这些小塑料卡内部是固相萃取柱或细胞裂解柱或混合柱。我们还在芯片上进行聚合酶链反应作为一种检测技术。所有这些东西都集成到一个小型设备中，从研究的长期前景来看，最终将成为一个集成设备，该设备将能够手持并执行到现场或环境中，这些实验室无法获得所有主治中心融合和加热培养箱等。
因此，我们希望能够理想地从人类样本开始，例如血尿粪便或鼻咽拭子，这些样本是粘液。然后在芯片的输出端有一个答案，无论是否是或否，某人感染了特定的微生物。我们这样做的方法是寻找该特定或 RNA 的 DNA，具体取决于患者样本中该特定微生物的微生物。
因此，出现的技术挑战主要在于该方程式的样品制备方面。因此，当您从血液、粪便或尿液开始时，您必须摆脱这样一种情况：您的人类样本很混乱，其中含有大量潜在颗粒或 PCR 或其他扩增技术的抑制剂。最后，您希望得到一个非常干净、逃避不开的核酸样品，然后您可以用它来扩增或寻找特定的 DNA 或 RNA，从而告诉您正在寻找的微生物是否存在。
因此，为了清理这些样本，您必须做一些事情。首先，您必须过滤样品，根据样品的不同，这可能涉及过程过滤或在样品进入芯片之前的快速旋转步骤。因此，我们总是尝试从来自临床医生的样本开始。
因此，对于尿液、粪便和鼻咽拭子，我们的目标是让临床医生像往常一样做他们的工作，并像往常一样采集样本。然后我们取样并将其放在芯片上。因此，如果在该步骤中需要进行更多过滤，则该过滤将发生在芯片中。
第二步涉及，因为我们正在进行分子检测，所以我们必须裂解样品中的细胞和微生物。因此，我们然后执行裂解步骤，这通常包括迫使样品通过具有小孔径的过滤器。有时，该过滤器中还含有纳米颗粒，如碳纳米管，它们具有锋利的边缘，可用于撕裂一些具有更坚固细胞壁的生物体，例如艰难梭菌，这是我们研究的一种革兰氏阳性细菌，很难溶出。
因此，我们必须拥有更稳定的裂解柱。但通常我们会在芯片内部进行化学和机械裂解。之后，我们的目标是提取裂解物，然后提取纯化的核酸。
因此，我们将裂解液传递过来，将裂解物通过固相萃取柱，该萃取柱在微流控芯片中产生共振。该固相萃取柱由塑料制成，在制造完成后，在微流体通道内使用光引发化学制成。它还浸渍了通常的二氧化硅颗粒，因为我们想要结合和释放核酸。
在某些情况下，如果我们想特异性结合和释放 mRNA，例如，我们会加入寡核苷酸 DT 微珠，如果我们想结合和释放特定蛋白质，我们会掺入带有特定抗体的微珠。我们可以制造出可以做所有这些事情的萃取柱。但今天我们将向您展示如何使用硅胶珠制作 sase 萃取柱。
因此，在我们完成这些作后，将裂解物通过硅胶柱，它的工作原理就像 kyogen 试剂盒在宏大规模实验室中一样。然后，我们清洗以去除我们不需要的所有其他东西，所有的碳水化合物和脂质以及细胞裂解物和人类样本中我们不需要的其他物质。然后到了最后，我们提到了水。
这些微量固相萃取色谱柱的优点在于，我们可以用非常少量的水洗脱，通常约为 1 到 5 μL。我们几乎取回了我们放入的所有核酸。我们有大约 70% 到 90% 的效率，并且我们从该通道中回收的前 10 微升。
因此，如果我们用 2 到 10 μL 的浓度洗涤两次，我们几乎可以得到所有放在那里的核酸。因此，它不仅是一种能够进行 PCR 的干净样品，而且是一种比使用标准台式试剂盒所能获得的浓度高得多的样品。因此，所有这些样品制备技术的最终目标是使产品与人们所做的其他一些工作兼容。
非常好的现场工作表明您可以在芯片上进行 PCR 扩增。如果您正在处理 RNA 病毒或想进行基因表达实验，您可以在芯片上进行逆转录酶反应。我们的样品制备技术可以直接与芯片上的 PCR 偶联，因此您不必在工作台上进行任何纯化和样品制备。
此外，还需要执行浓缩步骤，以便获得在小芯片上进行多重 PCR 所需的微量样品。因此，我们今天将向您展示的实验展示了我们如何组装微流体芯片，该芯片由热塑性塑料而不是 PDMS 制成。因此，它需要的制造工艺与通常使用的制造工艺略有不同，即这些芯片的密封方式。
然后，我们如何在芯片内部进行光引发化学反应，以制造用于细胞裂解和固相萃取的聚合物整体。在该过程结束时，现在是实验室中的模块化过程，但它们可以并且已经集成，最终为您提供高度浓缩的核酸、RNA 和 DNA 水样品，然后可以进入下游的 PCR 模块或其他扩增模块，在那里可以识别微生物或感染。因此，我们现在正在努力获得一笔赠款，我们开始从波士顿医疗中心收集可能感染也可能未感染流感的患者的人体样本 A.So 因为现在是流感季节，这些就是我们正在收集的样本。
然后在实验室中，我们正在进行金标准检测，以观察某人是否感染了甲型流感，这基本上是一种培养检测，需要几天时间才能完成。与此同时，我们现在正在将这些样品放入我们芯片的模块中。因此，我们将它们通过裂解柱，然后通过固相萃取柱，然后进行 PCR，看看与金标准方法相比，我们的表现如何。
这就是我们现在所处的阶段。如果这些实验成功，我认为在未来四到六年内，我们可能拥有集成芯片和完整的甲型流感检测方法，并且我们正在研究艰难梭菌和粪便样本。而且，我们、我们、我们不仅非常接近集成设备，而且也非常接近集成检测方法。
因此，检测方法开发和芯片设计必须齐头并进。因此，对于特定的应用程序，进入床边，它实际上是一个面向目标的过程。您必须知道，您知道，您开始的样品和您正在寻找的微生物，以便优化芯片以供床边使用。
所以我，我认为我们离以原型方式实现这一目标并不遥远。这些是我们的最终目标，所以我希望我们能实现目标。
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概览
在这次访谈中，Klapperich博士讨论了热塑性微流体设备的制造及其在新诊断开发中的应用。重点是创建适合资源有限环境的一次性诊断设备。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物医学工程
- 微流体学
- 诊断开发
背景
- 研究生物分子和细胞与聚合物表面的相互作用。
- 开发用于诊断的微流体设备。
- 关注资源有限环境中的应用。
- 在设备制造中使用热塑性材料。
研究目的
- 制造用于诊断的微流体设备。
- 探索生物材料与塑料表面的相互作用。
- 改善资源匮乏环境中的诊断能力。
使用的方法
- 制造热塑性微流体设备。
- 在诊断中应用微流体技术。
- 研究生物分子的相互作用。
- 开发一次性诊断工具。
主要结果
- 成功制造热塑性设备。
- 洞察生物分子和细胞与表面的相互作用。
- 在资源有限环境中开发新诊断的潜力。
- 在生物医学应用中微流体技术的进展。
结论
- 热塑性微流体设备可以增强诊断。
- 了解表面相互作用对设备效能至关重要。
- 研究支持一次性诊断的开发。
常见问题
Executive Industry Relevance
Thermoplastic microfluidic devices enable sample-to-answer diagnostics in resource-limited settings by integrating lysis, nucleic acid extraction, and amplification on a single disposable platform. This approach reduces reliance on centralized laboratories and supports rapid infectious disease detection at the point of care. The technology advances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, concentrated nucleic acid outputs compatible with downstream PCR or isothermal amplification.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of host-pathogen interactions through purified nucleic acid extraction from complex clinical samples.
- Operational Value: Supports mechanistic de-risking by delivering inhibitor-free nucleic acids for downstream target validation assays.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces highly concentrated nucleic acid eluates (70-90% efficiency) suitable for multiplexed PCR or isothermal amplification screening.
- Operational Value: Integrates sample preparation and detection on a chip, reducing hands-on time and enabling scalable assay development for high-throughput workflows.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Maintains sample integrity from collection to detection, supporting translational continuity in preclinical infection models.
- Operational Value: Facilitates standardized workflows across sample types (blood, urine, stool, swabs) for consistent preclinical-to-clinical translation.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early biology to assay readiness in lead identification, particularly for nucleic acid-based diagnostics targeting infectious agents.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing by providing clean nucleic acid inputs for qPCR, sequencing, or CRISPR-based detection of pathogen-specific signatures.
- Screening: Delivers assay-ready samples with high purity and concentration, supporting reliable compound or inhibitor screening in antimicrobial development.
- Analytics: Generates quantitative nucleic acid yields that allow normalization across conditions and statistical comparison of sample preparation efficacy.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical work by preserving biomarker integrity (e.g., viral load, resistance genes) through integrated lysis and extraction.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable sample preparation module adaptable to multiple targets (e.g., Influenza A, C. difficile) across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing biological variability through standardized nucleic acid recovery from diverse sample matrices.
- Operational Value: Enhances reproducibility and scalability via thermoplastic fabrication and photo-initiated column integration, enabling batch production.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by generating reliable diagnostic inputs that reduce false negatives in early-stage target validation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of diagnostic candidates through consistent, high-yield sample processing across preclinical programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, surface chemistry, and nucleic acid purification principles.
- Depends on thermoplastic bonding equipment and UV or light-activated polymerization systems for in-chip column fabrication.
- Necessitates standardization of flow rates, lysis conditions, and elution volumes across operators and sites for reproducible performance.
- Involves adaptation considerations for varying sample viscosities and particulate loads (e.g., stool vs. urine) affecting filtration and lysis efficiency.
- Involves practical limitations related to optimizing lysis efficiency for tough-to-lyse organisms (e.g., C. difficile) without compromising downstream amplification compatibility.
