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微流控芯片的前景如何?

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-17  来源:融智生物科技  作者:汤明辉
核心提示:在2014-2015年间,分散式分子诊断技术开始全面获益于微流控技术,样品制备水平的提高就是非常突出的例子,这使得微流控技术从此开始强势渗透即时诊断(Point of Care Testing, PoCT)领域。直至今日,这些应用仍在推动微流控产业的结构发展和增长。
作者:香港中文大学博士 汤明辉

在2014-2015年间,分散式分子诊断技术开始全面获益于微流控技术,样品制备水平的提高就是非常突出的例子,这使得微流控技术从此开始强势渗透即时诊断(Point of Care Testing, PoCT)领域。直至今日,这些应用仍在推动微流控产业的结构发展和增长。

2015年微流控芯片的市场规模约为28亿美金,到2018年市场规模为58亿美金,年复合增长率超过27%。微流控相关的文献在2008年-2012年间呈现出上升趋势,是研究高涨的时期,2012年以后文献数量逐渐下降,技术已经有一定的积累并开始走向成熟,微流控技术逐渐向个性化医疗发展,进入产品的成型期。

近年来,微流控方向发文数量:


图1. 近年来,微流控方向论文发表数量

国内的微流控公司有些已经做的不错了,比如天津的微纳芯科技,杭州霆科生物,微点生物,华迈兴微,百康芯,卡优迪生物,优思达生物,博晖创新,博奥,理邦仪器,绍兴普施康等等。国外的三星也出过几款基于微流控的产品。

目前来讲,微流控的最大的产业化场景还是在于体外诊断。说微流控就先说说IVD(体外诊断)医疗器械这方面。这一块其实国内市场空间特别大。第一,国内医疗里的医疗器械与医药消费比还远远低于美国这样的医疗体系相对成熟的国家。而诊断类医疗器械在整个医疗中重要性不言而喻,它几乎决定着后续的所有治疗方案和用药。中国诊断类医疗器械这一块潜力很大,有巨大增长空间。第二,中国人口的老龄化。中国过去几十年的高速发展离不开20世纪五六十年代的大出生的人口红利。但是,再过十几二十年,人口红利就变成了老年化的人口负担。计划生育这么多年,那个时候青壮年又少,这个时候智能化的诊断检测类的医疗器械需求会大大增加。第三,现在都在说互联网医疗(就在不久前,华为也宣布开始进入这一块了),那么真正的互联网医疗最应该解决的问题就是智能化医疗检测终端问题。这里就需要POCT的诊断检测类的医疗器械。第四,中国人民终于进入了小康社会,温饱解决了要关心生活质量。那么医疗健康这一块,大家注定要花费更多心思了。国家也会财政上逐步增加医疗保健的支出。第五,在我国,分级诊疗制度也会逐步的实施下来,而分级诊疗制度推行以后,将给POCT带来很大发展机遇。在社区卫生服务站或中心POCT将会由冷变热,常见病、多发病、慢性病的POCT数量将明显增加。 而且互联网+POCT+移动医疗在家庭和个体化健康管理、疾病预防控制、慢病管理等方面也会有井喷式的发展机遇。


图2. 我国IVD产业规模

然而,体外的诊断和检测的医疗设备,目前来看,很大一部分都是基于微流控的。体外诊断基本主要是基于体液(血液,尿液,唾液)的,对于这些体液的操控,有两条路,要么人工,要么自动化,这里,自动化肯定是个大趋势。那么对于液体的自动化操控,这不正是我们微流控要干的事情么?所以,IVD里除去试剂的研发,后续的如果要做自动化检测,除了高通量的机械臂手流水线,那么基本避不开微流控。

我认为这是微流控技术必将火起来的基础。

IVD主流有三大类,生化分析,免疫诊断,分子诊断。这三类,门槛由低到高。国内产品还主要集中在生化分析和免疫诊断。IVD中做到POCT的最典型的代表莫过于验孕纸,各类传染病检测试纸,毒品检测试纸等等,这些市场上都有的。试纸类的主要是基于胶体金,这个精度有限,只能做定性诊断,这些产品在基层做初步诊断筛查是非常有用的。实际上大家也确实都这么用的。初步筛查的阳性的结果再用其他费用高昂更准确的方法确诊。

在生化分析方面,由于技术比较成熟,技术壁垒比较低,所以微流控产品将面临着成熟的传统的生化分析仪的有力竞争。但是随着分级诊断的普及,基层社区医院为节约设备成本,会更倾向于小而易用的基于微流控的生化分析仪。基层社区医院所需检测的样本量不多,所以与单位时间的检测通量相比,更在乎的是生化分析仪的价格和易操作性。这个时候,低成本易于操作且能快速出结果的微流控自动生化分析仪的优势就凸显了出来。在这一块,技术相对成熟的产品有天津的微纳芯Pointcare M和美国爱贝斯(Abaxis)Piccolo Xpress™即时生化检测仪。


图3. 美国爱贝斯(Abaxis)Piccolo Xpress™即时生化检测仪

基于微流控人体体液的生化分析也特别适合目前大火的互联网医疗。现在市场是初步做到了监测心跳,行走步数,血压等等,如果在此基础上可以做到唾液和尿液(尿液里的医疗信息相对较大,而且无创,病人配合度较高,但是目前也只适合晨尿这种,因为尿液实时成分跟人体饮食因素关系很大)的相关组成成分监测,这些数据再与互联网目前大火的大数据的结合,这一块也将大大的推进了人类医疗健康系统的发展。智能检测或诊断的医疗器械终端(家用)和互联网目前最火的大数据的结合未来也必然是个大热点,毕竟没有这边的终端,就没有数据。


图4. 天津的微纳芯Pointcare M

在免疫诊断方面,由于化学发光(CLIA)的灵敏度高,速度快,重复性好且能全自动化,所以化学发光只要成本降下来,那么它取代酶联免疫吸附测定(ELISA)也会成为一个事实。在化学发光仪器这一块,国内竞争呈现白热化和同质化倾轧的特点,主要都是基于机械手臂的方式来进行实现,技术上并没有太大的区分度。而另一方面,在2017年5月15日-18日中国国际医疗器械博览会(CMEF)上,华迈兴微的基于微流控的M2微型化学发光分析系统就相对亮眼的多。相比较于普遍的几十千克的大型机械手臂式的化学发光仪而言,这款产片只有5千克,而且从加样后到全自动的打印报告,只要15分钟。这款产品充分的体现了微流控的技术优势。另外,北京纳讯科技也同样发布了一款基于微流控技术的化学发光仪器。


图5. 在我国,化学发光逐渐取代酶联免疫成为主流

基于免疫的诊断也有问题,这些都是基于抗原抗体特异性(胶体金,ELISA ,FIA,化学发光等)结合那一套,当体内抗体水平过低时会有误诊的。更可靠的传染病的诊断方法(也就是上面提到的更贵更精准方法)就是基于DNA的分子诊断。这个中国血站的检测方法的升级最能说明问题,中国血站的检测方法正逐步由ELISA到PCR过渡。免疫诊断在传染病诊断中绕不开的是传染病的窗口期,而分子诊断这会大大缩短这个窗口期,减小误诊率。基于PCR的分子诊断的原理很简单,先DNA或者RNA提取,再PCR等方式特异性扩增,通过最后的荧光定量来判断是否有这种细菌或者病毒的DNA,从而实现疾病的诊断的功能。这一块微流控也大有可为。当然了,传统免疫诊断方式,如胶体金,ELISA以及新兴的化学发光,也有分子诊断替代不了的应用场景,比如过敏,甲状腺功能,肿瘤标志物,心肌炎标志物等等。目前来看,随着分子诊断技术的继续发展,免疫诊断和分子诊断会进一步细分体外诊断市场,各自在各自的应用场景里发挥自己的作用。


图6. 赛沛的GeneXpert

在治疗传染病的时候,如何实时监测治疗的效果?还是基于PCR的分子诊断。治疗期间病毒或细菌数目减少,抗体也会少,基于免疫的可能会靠不住(跟很多传染病的检测都有窗口期是一个道理)。所以,免疫诊断主要还是定性,一旦需要病人体内病原体的定量,还是需要分子诊断。所以很多人看中微流控的分子诊断这一块。这里面的市场还要再根据通量细分,高通量的自动化可以依靠机械臂手流水线作业,低通量的或者POCT的还得需要微流控。当然,POCT分子诊断门槛确实也高,简单来说,市场上一个全自动核酸提取仪经常10万+,一个PCR 仪器经常就卖到了十万+(当然,现在也流行用恒温的比如LAMP的扩增技术代替PCR,但是恒温的也有恒温的问题),更别说一个集成了所有功能的分子诊断产品了。现在全自动的分子诊断,做的比较好的有赛沛(Cepheid)的GeneXpert PCR分析仪,BioFire的filmArray,IQuum的cobas Liat PCRSystem 以及Atlas Genetics的io。这几个明星产品的孵化公司都无一例外地被全部或部分收购。


图7. 博晖创新的HPV分子诊断全自动分析仪

这里的赛沛在2016年9月被丹纳赫以40亿美元收购;

BioFire在2013年9月被生物梅里埃宣布以4.5亿美元收购;

IQuum 在2014年4月被罗氏收购;

英国Atlas Genetics在2016年的年底也被万孚生物以约1.25亿人民币收购了14.95%的股权,这家公司凭借此分子诊断的产品已经融了8650万美元。

这几个产品里,其核心都是微流控技术。

国内的博晖创新,利德曼等也都有自己的基于微流控的全集成的分子诊断的产品了。

除了传染病,基于CTC捕获或者ctDNA的肿瘤液体活检和肿瘤的分子分型也是分子诊断的一大应用场景。

另外,基于液滴微流控和数字化微流控的ddPCR更是代表着稀有靶基因分子诊断的未来。


图8. 博奥的恒温核酸扩增仪

且不说分子诊断,就是基因测序芯片,现在华大,博奥等做的也很火了,BD还推出了全球首款全自动一体化微流控文库制备仪。即使是全自动化的基因测序的设备,微流控在其中也扮演着重要的角色。分子诊断,由于存在一定的技术壁垒,在微流控平台实现全自动的核酸和PCR的好精准的温控,都有一定的技术要求。目前国内潜在的市场空间也很大。

体外诊断的自动化必然是一个趋势。在这个趋势里面,目前主要技术为机械手臂以及类似的复杂机械结构和微流控技术。在这里,机械手臂式的仪器往往大而贵,但是,机械手臂流水线作业也会让单次检测成本变的很低。另一方面,基于微流控技术的体外诊断仪器往往小而便宜,由于高度集成,操作也比较简易。但是,相对机械手臂式的仪器而言,单个样品检测成本可能会较高。这两种仪器将会在我国分级诊断中扮演着自己的角色,充分发挥各自的优势,活跃在不同的应用场景。样本量很大的地方就使用机械手臂式的大仪器,样本量小的地方使用基于微流控系统的小仪器,想做到POCT的话也还是需要使用基于微流控的sample-to-answer的便携式仪器。而另一方面,随着微流控技术的发展,高通量的单样本多指标甚至多样本多指标式的微流控检测系统也会慢慢出现。如果微流控系统的单个样品检测成本能持平于甚至低于机械手臂式的仪器的检测成本,那么,相比于机械手臂式的仪器而言,微流控技术将会逐渐更具优势。最后,体外诊断的仪器,要做到POCT级别,目前以笔者的视角来看,微流控技术有其不可取代的优势。


图9. The Compact and Lightweight Portable Immunity Analysis System - SamsungLABGEOIB10

除去体外诊断这一块,传统的人体体液(血液唾液尿液等)的生化分析,抗生素滥用导至的超级细菌问题,ICU细菌感染的高发问题,制药等等领域,微流控都将大有所为。它可以做成一个智能简单的医疗设备,也可以为一些难题提供一套好的解决方案,特别是制药方面。最近的基于微流控的器官芯片技术,也会大大推进制药和个性化医疗的进程。香奈儿(CHANEL)还开发了一款基于液滴微流控技术的山茶花保湿乳霜(HYDRA BEAUTY MicroCrème)呢。

图10. 理邦仪器的 m16磁敏免疫分析仪


图11. 罗氏的分子诊断(家用的流感病毒的诊断)的产品


图12. 香奈儿(CHANEL)的基于液滴微流控技术的山茶花保湿乳霜(HYDRA BEAUTYMicro Crème)


图13. 微点生物的免疫分析仪器


图14. 华迈兴微:M2微型化学发光分析系统

那些觉得微流控是搞科研的一个手段的,你们说的也有道理,目前来看,微流控作为一个工具用在科研上确实居多。这个方向也就二十几年,工业化也需要时间。但是它确实可以很好的产业化(其实国外产品挺多的,国内少而已)。

微流控技术相比传统有很多优势,但是作为一个比较年轻的技术,其产业链相对不成熟导至成本较高。这仍然是一个问题。但是,随着产业链的完善,其优势会慢慢凸显出来,特别是在POCT和制药方面。


图15. 器官芯片之肺部芯片(Lung-on-a-chip)
 
 
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