微流控流式在血液病诊断中的发展和展望

niwanmao

近年来，流式细胞术凭借其在癌症生物标志物检测和分析方面的优势，已成为多种疾病诊断的金标准。尽管如此，常规流式细胞术在设备体积、成本以及对操作人员技能要求等方面仍面临挑战。为克服这些限制，研究人员开始探索将微流控技术与流式细胞术相结合，由此催生了微流控流式这一新兴技术。Gonsalves M等人在2024年7月24日发表的综述《Advances in Microflow Cytometry-Based Molecular Detection Methods for Improved Future MDS Cancer Diagnosis》虽然标题写MDS，但实际上全文主要写的是微流控技术优势和一些生物学标记，尽管有些粗糙，但是还是值得我们概括总结一下。

这幅图展示了几种不同类型的液滴微流控技术：
- 高通量微流控：这种技术通常用于大规模生成液滴，主要用于检测目的。
- 数字微流控：这种技术利用导电平台来实时控制和操纵液滴的行为。
- 可控液滴微流控：这种技术可以根据用户的具体需求进行定制和调整。


常规流式细胞术与微流控流式细胞术在血液病诊断应用的对比

常规流式细胞术：
1. 样本制备：对血液或骨髓样本进行处理。
2. 细胞染色：使用荧光标记的抗体对细胞进行标记。这些抗体能够识别MDS相关的特定细胞表面或胞内标志物，如CD34、CD45以及其他谱系特异性抗原。
3. 流体系统：将经染色的细胞悬液引入鞘液流中，通过流体动力学原理将细胞聚焦成单细胞流。
4. 光学系统：当细胞通过激光束时，会产生散射光和荧光。前向散射（FSC）反映细胞大小，而侧向散射（SSC）则反映细胞内部结构的复杂性或颗粒度。
5. 检测系统：利用光电探测器（通常为光电倍增管，PMT）收集散射光和荧光信号。
6. 数据分析：使用专业软件处理和分析信号，根据细胞的光散射和荧光特性识别并量化不同细胞群。

微流控流式细胞术：
1. 微流控芯片设计：微流控流式细胞仪的核心组件是微流控芯片，通常采用光刻或软光刻技术制作。芯片上的微通道用于精确控制和操纵细胞。
2. 样本导入：与常规流式细胞仪类似，但所需样本量大大减少，通常仅需微升级别。
3. 细胞聚焦：不同于常规系统的流体动力学聚焦，微流控流式细胞仪常采用惯性聚焦或声学聚焦等新型方法，在微通道中对细胞进行排列。
4. 集成光学系统：将微型化的光学元件（如激光器和探测器）直接集成到微流控芯片上或其附近，以减小整体系统体积。
5. 信号检测：与常规流式细胞仪类似，检测散射光和荧光信号。但微流控流式细胞仪的检测系统往往更为简化，可能使用光电二极管或CMOS传感器替代PMT。
6. 数据处理：采用芯片上集成或紧密相连的电子系统处理信号，实现实时分析和分选决策。
7. 细胞分选（可选功能）：部分微流控流式系统具备细胞分选功能，可通过介电泳或声波等技术分离特定细胞。


微流控流式细胞术在血液病诊断中的优势
1、提升检测灵敏度和特异性：
- 微流控流式细胞术系统在检测稀有细胞群方面表现出更高的灵敏度，特别是在识别异常原始细胞群时。由于系统的微型化设计，样本流动和光学检测的控制更为精确，可能比传统流式细胞术具有更低的检测限。

2、大幅减少所需样本量：
- 微流控流式细胞术的一大优势是仅需微升级的极少量样本即可进行分析。样本需求量的减少也为疾病进展的连续监测创造了条件，同时最大限度地减少了患者的不适感。

3、多种分析技术的整合：
- 微流控平台能够将多种分析技术与流式细胞术相结合。例如，某些系统集成了芯片上细胞分选、基因分析，甚至细胞培养功能。这种整合为血液病提供了更全面的诊断方法，能在同一平台上同时进行免疫表型分析和基因突变检测。

4、床旁诊断的潜力：
- 微流控流式系统的紧凑设计使其适用于床旁诊断。这可能大大缩短MDS诊断的周转时间，有望在临床环境中实现当天出具结果。此外，系统的便携性也有助于在资源有限的地区推广先进的诊断工具。

5、提高成本效益：
- 尽管前期开发成本可能较高，但微流控流式细胞术系统有望显著降低每次检测的成本。这主要得益于试剂用量的减少、较低的维护需求，以及一次性微流控芯片可能实现的大规模生产。

6、自动化分析和评分：
- 许多微流控流式系统集成了先进的数据分析算法，可以自动化细胞群识别和评分过程。这有助于实现更标准化和客观的血液病诊断，减少不同观察者在解读流式细胞术数据时的差异。

7、新型生物标志物的发现：
- 微流控流式细胞术具有高通量特性，且能同时分析多个参数，为发现血液病相关的新生物标志物创造了机会。一些研究已经报道，使用基于微流控技术的系统成功识别出患者的新型免疫表型异常。


尽管这些结果令人鼓舞，但我们需要注意，微流控流式细胞术在血液病诊断中的应用仍处于研究和开发阶段。要确立这些系统相对于传统诊断方法的准确性、可靠性和临床实用价值，还需要进行临床验证研究。此外，为了在临床环境中广泛推广这项技术，方法的标准化和数据解释的一致性也至关重要。


参考文献：Gonsalves M, Escobar A, Altarabishi AD, Xu C-Q. Advances in Microflow Cytometry-Based Molecular Detection Methods for Improved Future MDS Cancer Diagnosis. Current Issues in Molecular Biology. 2024; 46(8):8053-8070. https://doi.org/10.3390/cimb46080476