液滴微流控技术的发展与挑战

据麦姆斯咨询报道，为聚合合成生物、分子诊断、免疫治疗、硅光芯片、DPU等前沿科技领域的顶尖人才、创新企业、产业、资本及政府资源，DeepTech于6月23-26日举办“DeepTech创新周2022”系列论坛，聚焦最前沿的技术赛道，近百位科学家和科技商业领袖共同参加，通过本次活动进一步打通从科研到产业应用、从实验室到临床的通路。

在6月24日的分子诊断论坛上，达普生物创始人许潇楠做了题为《大海寻针：液滴微流控如何引领下一代生物产业》的分享。

许博士详细介绍了液滴微流控技术对基因检测、分子诊断领域的重塑，并分享了达普生物构建的液滴微流控技术平台底层逻辑及相关产品应用。

所谓的液滴微流控技术，指的是在封闭的微通道网络中生成和操控上百万个纳升至皮升级液滴的一种尖端技术，可以显著加快生物、医学研究速度，降低样本消耗，为生物和医学研究搭建了全新的平台。

液滴微流控技术的发展与挑战

上个世纪90年代，微流控技术因其精准的样本处理和加速生化反应能力，被广泛应用于生物、化学和医学研究领域。微流控是指在微尺度空间对流体进行操控的一种技术，该技术可以将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上，因此又被称为芯片上的实验室（Lab on Chip）。

相比于传统的检测技术，微流控技术把样品反应、制备、分离、检测等生化实验的基本操作集成到很小的芯片上，以可控流体由微通道形成网络贯穿于微流控系统，在更小的尺度内实现了常规生化实验室各项功能的同时，降低了分析检测的试剂消耗量，加快了反应速度，提高了反应效率，使得实验可控性更强。

近年来，随着传统微流控技术的积累，利用互不相溶的两液相产生分散的微液滴进行实验操作的液滴微流控技术快速发展了起来。微液滴，也称为“微型反应器”，可在纳升至皮升级的微液滴中进行生化反应。

通过将微流控技术与微液滴技术相结合，液滴微流控技术在提高了检测灵敏度的同时，大大提高了反应的通量，实现了反应通量从1到10⁷的变革，为生物检测及新药研发提供了全新的平台。液滴微流控技术具有诸多技术优势，包括体积微小、生成速度快、通量高、大小均匀、体系封闭、单分散性良好等。

以生物医药领域常用的生物标志物检测为例：人体组织或生物体液中的核酸、蛋白质、单细胞或小分子等的可靠检测可用于确认或预测疾病和疾病状态。因此，高灵敏的生物标志物检测在疾病诊断、治疗和药物筛选等在内的各种应用中至关重要。不幸的是，对于许多疾病，人类样本中的生物标志物丰度较低，传统检测方法无法进行精准的检测和筛查。

而液滴微流控装置可以将大体积样品离散成数千到数百万个微液滴——每个微液滴都用作一个隔离的反应室，将靶标分子隔离在每个反应室中独立进行反应——因此具有实现高灵敏度检测的潜力。毕竟，体积的显著减少有助于背景的等效减少和目标生物标志物的浓度的急剧增加，这反过来又增加了每个分离反应的信号与背景比，同时，独立的反应单元，也避免了反应之间的互相干扰，从而增加了测定的整体灵敏度。这种量变而带来的质变，正是液滴微流控技术将会带领生物产业升级的原因。

除此之外，液滴微流控技术在医药研发领域也具有广泛的应用前景。首先可用于快速单克隆抗体筛选，将传统单克隆抗体筛选时间从3个月缩短到一天内完成：传统的杂交瘤及单B细胞、纳米抗体筛选技术不但工作量大、周期长，且成本高。

液滴微流控技术可快速将10⁵-10⁶细胞包裹成纳升级的反应检测体系，以Droplet ELISA方式在细胞包裹后几个小时内快速筛选出高表达细胞株，替代传统微孔板ELISA 的单克隆筛选，将之前几周的筛选工作压缩到一天内完成，并能更精准、高效地筛选出分泌目标抗体分子的杂交瘤细胞、单B细胞或噬菌体。

其次可用于优化细胞治疗的靶点，例如在TCR-T疗法中，在TCR转录之后，需要对大量的T细胞进行筛选以寻找正确的TCR-T细胞克隆，传统的方法不但繁琐、耗时且昂贵。

基于微流控液滴分选技术，在T细胞工程改造时引入报告基因，之后和靶标肿瘤细胞同时包裹到微液滴中，之后即可根据报告基因荧光信号实时监测单个TCR-T细胞在识别靶肿瘤细胞后的激活情况并筛选出功能性TCR-T细胞，基于微流控液滴分选技术的TCR筛选原型为促进免疫治疗筛选和T细胞治疗的发展提供了一个革新性的工具。

另外还可为药物的递送和释放搭建全新平台，提供新的研究方向：例如，使用液滴微流控技术来评估细胞中的药物摄取、消逝与细胞毒性，并在单细胞和多细胞的相互作用中建立了适合药物筛选的液滴微流控平台。

当然，液滴微流控技术目前也存在诸多挑战。首先，作为液滴微流控技术的核心元器件之一，微流控芯片的设计与制作非常关键，目前聚二甲基硅氧烷（PDMS）和软光刻技术被广泛应用于微流控芯片的制备，但是为了进一步实现商业化生产和临床应用，更低廉、稳定的芯片制作材料，以及更简单便捷的芯片加工工艺也需要进一步的研究和探索。

其次，液滴微流控产生的液滴体积非常小、速度快、数量多，如何实现对大量微液滴进行快速检测分析也是一个难点。

最后，大规模集成是微流控芯片的一个显著优势，但是如何将模块化的液滴微流控单元与上下游功能单元大规模集成于一个多功能的微流控平台并实现自动化智能操作，仍然需要进一步的努力和研究。

打造生物制药的工业级解决方案

2018年，达普生物孵化于美丽的清水湾之畔——香港科技大学。作为达普生物的创始人，毕业于香港科技大学的许潇楠博士深耕于液滴微流控领域近十年，在液滴微流控技术、芯片设计、生物化学、计算机、机械和光学等高度学科交叉的领域有丰富的产学研经验，曾发表过数十篇相关论文，拥有数十项相关专利。

不同于大多数初创企业专注于应用层面，达普生物在创立之初就选择了一条艰难的道路，致力于成为一家掌握底层核心技术的上游公司，通过整合生物、化学、计算机、光学、自动化等领域的人才，从液滴微流控的底层技术出发构建生物制药的工业级解决方案。

首先是微液滴的操纵模块。不同于实验室中使用移液枪对样本进行混合和分析，微流控技术生成的液滴多达上百万个，如何在上百万个液滴中实现一对一的精准控制，背后涉及非常复杂的流体控制和光机电自动化的配合。早期，许潇楠博士所在的团队在香港科技大学做了大量的工作，发表了一系列学术论文和专利，奠定了坚实的基础。

其次是微流控芯片的设计与规模化量产。过去三年，达普生物成功解决了芯片的设计和量产问题，拥有自主的微流控芯片生产线，打通了从原型设计、开模、复制成型、后期处理以及质控等各环节。这也是达普生物的核心竞争力，可以快速高效地进行产品迭代、控制成本、严格把控质量。

基于已构建的底层技术，达普生物开发了三大工业级的技术平台。

第一个是单细胞高通量筛选平台。其原理是对微液滴的荧光信号进行预判，可识别包裹在微液滴中细胞的基因组或者蛋白组信息或者细胞分泌的分子信息，然后通过介电泳的作用，将某个分群的功能性细胞挑选出来，单次可实现10⁷量级的微液滴分选。这一系统在单克隆抗体筛选、细胞治疗靶点优化等领域具有广泛的应用，可以显著缩短筛选流程。

第二个是单细胞测序建库平台。达普生物自主研发的星海单细胞建库平台，基于专利的压力不敏感液滴生成与水凝胶编码微球技术，可快速实现1-4样本的单细胞测序文库构建。

其原理是通过给每一个微液滴打上编码，当细胞在微液滴中裂解时，编码微球上的核酸序列引入到cDNA序列中，直接给每个细胞的基因组加上分子标签，在分析测序数据时，根据分子标签信息将基因回归到单个细胞，实现单细胞水平精度的基因信息分析。

第三个是数字PCR平台。达普生物自主研发的第三代数字PCR技术，相比于实时荧光定量PCR具有更高的精密度、灵敏度与抗干扰性，并可以对核酸分子进行精准定量，特别适合基质复杂样品的检测，例如生物药生产与质检环节中对残留DNA的检测。

在细胞和基因疗法、生物类似药、疫苗类药物的生产或质检环节中，现行各国药典中对于制剂的残留DNA检测方法主要有4种：杂交法、阈值法、荧光染料法和PCR法。数字PCR法因为极高的灵敏度、特异性和准确性，可为生物制药工业在工艺研究和成品质量控制方面提供更精准、可靠的检测手段，现也已经逐渐成为各生物制品厂家首选的检测方法。

原文标题：基于液滴微流控底层技术，达普生物打造生物制药的工业级解决方案

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审核编辑：彭静