微流控技术用于生物制剂与疗法的高通量筛选（High Throughput Screening, HTS）：一篇综述报告

作者与发表信息 本文由Anant Bhusal（罗文大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校）、Swaprakash Yogeshwaran、Hossein Goodarzi Hosseinabadi（哥廷根大学医学中心）、Berivan Cecen及Amir K. Miri（罗文大学、新泽西理工学院）共同撰写，于2024年3月26日在线发表于学术期刊《biomedical materials & devices》。

论文主题与目的 本文是一篇系统性综述，旨在全面梳理和探讨微流控（Microfluidics）技术在生物制剂与药物高通量筛选（HTS）领域的最新进展、应用模式、设计原理、制造方法以及未来发展方向。作者指出，尽管微流控器件已广泛应用于基因分析、免疫分析、器官芯片、细胞工程和疾病建模，但其与HTS平台的整合为大规模测试各类生物和化学制剂开辟了新途径。然而，关于微流控HTS的具体模式，特别是液滴模式（Droplet Mode）和灌注流模式（Perfusion Flow Mode），近年来鲜有综合性评述。因此，本文的目标是深入探讨这些微流控HTS模式，分析其制造方法、关键设计特征、主要组成部分，并详细阐述其在药物筛选等领域的未来轨迹，旨在为生物工程师和临床医生提供一份指南，推动用于药物筛选的微流控工具箱的发展。

主要观点阐述

第一，微流控HTS平台的核心优势与分类。 微流控芯片能够处理皮升至阿升级别的极小流体体积，在微米尺度的通道中进行操作。将其整合到HTS平台中，带来了低成本分析、经济型样品消耗以及便于生物测定操作等显著优势。从设计角度看，一个典型的微流控HTS平台通常包含推进系统、专用细胞培养模块和监测单元。常用的生物相容性材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

微流控HTS系统主要分为三类：液滴模式、灌注流模式以及传统的微阵列。液滴模式微流控HTS系统能够以极低的试剂消耗精确控制反应；灌注流平台支持连续处理；而微阵列模式则有利于并行化筛选。本文重点聚焦于液滴和灌注流这两种模式，并将它们进一步细分为连续流、数字微流控、离心式和声学式微流控等类别，其中连续流平台因其在高通量和自动化方面的潜力而更受关注。

第二，液滴模式平台：原理、功能化与应用。 液滴模式通过将样品分割成数百万个独立的微滴，每个微滴都作为一个独立的微型反应室，实现了超高通量（每天可达10^5个样品）的筛选能力。其核心是液滴的生成，这可以通过主动（利用电场、磁场、离心场等外部刺激）或被动（仅依靠通道几何结构和流体力学）方法实现。被动方法中，交叉流（如T型结）、共流和流动聚焦是三种基本几何构型，通过调节两相流速比、通道尺寸和流体性质来控制液滴的大小和生成频率。

液滴的功能化是其广泛应用的基础。通过双乳液技术可以形成聚合壳微囊，用于药物的定时或刺激响应释放。微凝胶作为交联聚合物网络胶体颗粒，可用于药物的刺激响应释放或降解。此外，微流控平台还能用于制备具有各向异性性质的Janus颗粒（应用于光学、传感器和生物医学）以及高质量蛋白质晶体。

在应用层面，液滴平台展现出巨大潜力。它能够将单个样本分解成数百万个微滴，极大地降低了背景噪音，提高了局部生物标志物浓度，从而显著提升信噪比和检测灵敏度。例如，在数字PCR（dPCR）中，该技术已用于分析液体活检中的循环DNA，以检测皮肤癌、肺癌、乳腺癌和胃癌。在免疫分析方面，基于液滴的ELISA技术能够实现单分子计数，将前列腺特异性抗原（PSA）的检测限降低至飞摩尔浓度，比传统ELISA提高了两个数量级。此外，液滴平台还广泛应用于单细胞分析、酶动力学分析以及细菌持久性筛选、噬菌斑测定、抗体筛选和酶的定向进化等领域，其试剂消耗和运营成本远低于传统的微孔板。

第三，灌注流模式平台：制造、混合技术与应用。 灌注流HTS平台依赖于连续流体或试剂流来引入试剂、在微流控网络中传输流体以及混合试剂。其流动可以是压力驱动或基于电渗流的。这类平台的核心挑战之一是在低雷诺数的层流条件下实现流体的高效混合。

平台的制造常用材料是PDMS，因其气体渗透性、光学透明性和易加工性。制造技术包括层压、模塑（如复制模塑、注塑、热压印）和增材制造（AM）。其中，增材制造（特别是基于挤出的3D生物打印和立体光刻）因其能够创建具有可控特性的复杂结构而日益受到青睐。

混合机制分为被动式和主动式。被动混合通过改变通道几何结构来诱导混沌对流或增加流体接触面积和时间，从而提高混合效率。常见的被动混合器包括层流式、交叉通道式、锯齿形和交错人字形混合器。主动混合则依赖于外部能量输入，如压力脉动、电场、声场或磁场，虽然混合效率可能更高，但系统通常更复杂且难以完全集成。

在应用方面，灌注流平台特别擅长操纵细胞和促进球状体形成。例如，OrganoPlate™培养平台就是一种商业化的三通道水凝胶芯片。通过集成阀门，可以隔离或流体连接多个培养室，实现一步式细胞接种和抗癌药物测试。此外，利用微流控通道网络中的连续层流进行受控扩散混合，可以生成药物浓度梯度，用于高通量、多参数（如细胞膜通透性、核大小、线粒体膜电位）的药物筛选。电学特性也被用于细胞分析，例如基于阻抗谱或介电泳（DEP）的细胞凋亡实时监测。

第四，未来发展方向与挑战。 未来趋势之一是组织类器官与HTS平台的整合。类器官是由多种细胞负载的细胞外基质（ECM）模型，能够模拟目标组织的生物物理和生物学功能。将3D生物打印与微流控技术结合，有助于创建具有高效灌注和血管化结构的复杂组织模型，更准确地模拟体内环境并预测药物反应。

另一个方向是提高HTS系统的能力，以测试组合药物并引入非线性浓度梯度。由于细胞对药物浓度的响应通常是非线性的，大多数筛选技术需要测试跨越多个数量级的剂量来确定半数抑制浓度（IC50）。微流控HTS（µHST）在此方面展现出超越传统线性梯度方法的优势。

多器官芯片是另一个有前景的方向，它将不同的器官微结构相互连接，用于研究药物代谢和疾病进展。这种“人体芯片”方法可以产生有价值的药物代谢数据，提高临床试验效率，并为研究性别和年龄差异对疾病的影响提供安全平台。

最后，自动化是HTS平台实现大规模分析效力的关键。当前的挑战在于如何将2D细胞培养模型有效地转化为更能模拟体内条件的3D培养环境。未来的发展需要将液体处理系统、快速筛选读板仪等操作无缝自动化，以解锁高通量筛选的新维度。

论文的意义与价值 本综述系统地整合了微流控技术在HTS领域的最新研究成果，清晰地勾勒出液滴模式和灌注流模式两大技术路径的发展脉络、技术细节与应用场景。它不仅为研究人员提供了关于微流控HTS平台设计、制造和应用的全面技术参考，还通过展望与类器官、生物打印、多器官芯片及自动化技术的融合，指明了该领域未来的创新方向。对于致力于药物发现、个性化医疗和生物工程研究的科研人员与产业界人士而言，本文是一份重要的路线图，强调了微流控技术在减少动物实验、开发更有效和安全药物方面的潜在贡献，并指出了其在实现商业化广泛应用前需要克服的材料、规模化和标准化等实际挑战。