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微流控技术的产业化进展

更新时间:2022-08-08点击次数:952

一、概述


微流控技术是对微量流体的精确操控的技术手段,尤其是指在亚毫米尺寸级别上。微流控技术满足了体外诊断对于少量液体的连续操控以使其顺序发生生化反应并得出最终检测结果的需求。


把传统的体外诊断设备做小,以实现POCT级别的检测,常见的方式就是侧向层析。虽然此类产品操作简单,但侧向层析作用不能*模拟基于实验室的多步骤分析过程,而这些步骤对于产生高重复性、定量和高灵敏度的结果至关重要。在过去几十年里,业界一直对改善侧向层析的性能很感兴趣,但到目前为止还没有取得重大进展。当然,疫情下,由于一些国家没有足够的条件来开展核酸检测,也让简单易用的免疫层析再次火爆。国内不少IVD企业抓住机遇,产品出海并大赚特赚。


下面将分别展现IVD各个领域运用微流控技术开发的产品,也聊一聊笔者对于这些产品的认识。



二、微流控生化检测



在生化检测领域,产品是Abaxis的Piccolo Xpress™即时生化检测仪,也就是大家所熟知的离心生化盘。Abaxis于2018年5月被硕腾收购。


国内多家公司有类似产品,比如天津微纳芯,成都斯玛特,广州万孚生物,北京博奥生物,苏州含光微纳,绍兴普施康,武汉芯生,深圳锦瑞等等。说是类似,是因为国内一些离心生化盘还是有些区别:1. Abaxis是预置了一个稀释液,所以只需要加样本。国内有些产品直接舍去了稀释液的预置,需要加样的同时也要加入稀释液;2. Abaxis本身是采用超声焊接工艺实现的微流控芯片的封装。在国内,大家更倾向于采用胶粘工艺。可能超声焊接工艺做稳定还是比较难的,而且超声焊接本身工艺的过程检验也是非常困难。



含光微纳



吊诡的是,这些公司里,有的虽然产品拿到了注册证,但还是主要销往动物诊断市场。阻碍离心生化盘在人医市场大展拳脚的最大问题还是耗材成本。虽然离心生化盘可以实现单样本多指标检测,但是综合耗材物料成本也在10-20人民币之间。而传统的生化分析仪的主要耗材只有试剂,其成本优势明显。


生化检测领域,离心生化盘能一统江山也是有其内在逻辑的。与其他微流控技术的实现比起来,离心微流控只需要一个主体注塑组件,只需要一次封接。所以其可制造性强,成本可控。此外,离心微流控盘片上无处不在的离心力能顺利地实现多反应腔的并行反应,体现在产品上就是单样本多指标检测。



三、微流控免疫诊断



首先聊聊微流控技术在免疫荧光中的应用。说微流控免疫荧光就不得不说Alere的Triage了。该产品在免疫层析的基础上,对硝化纤维纸做了亲疏水性的处理,使液体只沿着亲水性管道扩散。对比传统的免疫层析的*不受约束的侧向流动,该产品液体流动控制能力更强,其检测性能就更优秀一些。国内深圳微点,苏州含光微纳等均有类似产品。


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Alere Triage



也有一些厂家利用非纸基微流控(paper microfluidics)技术实现免疫多联检。其中最典型的是Lumira Dx家的产品,该公司曾借东风以50亿美元的估值在纳斯达克上市,轰动一时。


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Lumira Dx




国内做微流控免疫多联检的,笔者知道的有石家庄禾柏和成都微康。两家公司都很默契地选择了离心微流控平台来做。最主要的原因还是在于,离心盘上离心力无处不在,很容易实现反应试剂的等量分发以及并行的反应,最终实现多个指标的检测。而且一样的,离心微流控相对制造工艺简单,成本可控。


对于传统的化学发光领域,也有一些公司尝试用微流控实现其小型化和全自动化。最典型的代表是深圳的华迈兴微和绍兴的普施康。普施康的微流控化学发光方案很有特色,微流控芯片只是个反应容器,本身只是个一类备案产品。化学发光试剂是独立拿的注册证。试剂在使用的时候,由机器内部的机械臂现场自动加样。但是从结果的角度上来看,当前普施康主要推的产品还是离心微流控凝血。


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华迈兴微



笔者以为,微流控做化学发光是有很大的挑战性的。首先,化学发光讲究定量,而微流控中定量实现起来是很难的。想定量检测,以下三点缺一不可:1.参与反应的液体试剂要能准确定量;2.液体在微流控芯片中的流动可控性很强,管道和腔室不能有死角,最终不能有反应液体残留;3.反应要充分。我们知道在微流控领域,微量液体的流动是以层流为主的,要想反应充分就要在微小管道和腔室内实现反应液体的充分混匀,这在层流为主的微流控芯片内部颇具挑战性。其次,化学发光本身可以通过小机械臂的方式实现其全自动化,比如深圳天深医疗的方案。相比于天深的方案,微流控化学发光产品在耗材成本上就劣势明显。想规避这一问题,就最好做成微流控化学发光多联检,但是当前这类产品也并不多见。


顺便也聊聊东莞博识的微流控磁敏免疫产品m16,此款产品用微流控技术及巨磁阻效应实现了全自动的免疫多联检,是具有突破性创新的产品。但实际市场反响也不太及预期。笔者以为,可能原因有两点:1.巨磁阻效应应用在免疫诊断中产品毕竟比较少,本身技术打磨、做到稳定可靠还是需要一定的时间沉淀;2.因为巨磁阻效应的应用,m16的微流控耗材是集成了塑料和金属两大类材料。这就导致微流控耗材加工工艺复杂,耗材量产难度较大,且比较难控制好成本。




m16磁敏免疫分析仪



四、微流控核酸检测



微流控全自动核酸检测被一些自媒体称之为IVD当前最卷的赛道是有一些道理的。笔者2018年开始做这个方向的时候,很多人对于核酸检测还不太熟悉。现在疫情直接催熟了整个市场,再加上赛沛GeneXpert和生物梅里埃的FilmArray的惊人销售额,让大家纷纷在此领域布局。当然,让不少IVD企业也有资金实力去布局新的产品。


从底层逻辑上讲,核酸检测当前也确实是亟需取得新突破。当前的核酸检测,一是为了规避气溶胶污染和样本交叉污染,需要在标准的PCR实验室进行;二是需要持有PCR上岗证的专业操作人员来进行检测。总而言之,当前核酸检测由于污染问题和全自动化问题没有*得到解决,所以其对于实验室场地和人员都有要求。


微流控全自动核酸检测产品,诸如GeneXpert和FilmArray,在一个密闭的微流控卡盒里进行核酸检测的全流程,且整个检测与环境基本*隔绝,就不再担心气溶胶污染。此外,一个卡盒只能检测一个样本,也基本杜绝了样本交叉污染。所以这类产品使得核酸检测*摆脱了对于标准PCR实验室的依赖。又由于GeneXpert和FilmArray基本实现了“smaple-to-answer"近乎傻瓜式的操作,所以普通医护人员稍加培训,就能掌握该产品的使用。也大大降低了对于专业操作人员的需求。




GeneXpert



FilmArray


说到这里,可能大家会有一个疑问:核酸检测的全自动化是否一定要依赖于微流控技术来实现?肯定不是。


实现核酸检测的全自动化大致有两条路径,第一条是机械臂工作站。


我们知道全自动核酸提取仪和标准的QPCR仪已经非常成熟了,那为何迟迟不能把这两个产品连起来变成一个全自动的工作站呢?这里最大的问题还是气溶胶污染。在标准的PCR实验室里,提取和扩增一定是在两个房间里进行,而且扩增间是负压环境。这是因为阳性样本PCR反应后期,PCR反应管里的靶基因片段浓度非常高,而PCR反应的变性温度又是九十多度。这时候,一旦PCR反应管有漏气,靶基因片段就会随着水蒸气扩增到整个空气中,形成DNA气溶胶污染。于是整个房间里弥散着靶基因片段。扩增间负压是为了保证即使在这种情况下,气溶胶也被困在了PCR扩增间,不会扩散到提取部分。要知道,当前的核酸提取,不管是手工操作还是全自动核酸提取仪,对应的提取试剂都是要与周围空气充分接触的。所以要把全自动核酸提取仪和PCR扩增仪连起来变成一个全自动的工作站可不是一件简单的事情。


对于上述问题,笔者看过很多的解决方案。从罗氏到安图生物,从仁度、伯杰到杭州博日、成都翰辰光翼、广州和实等等。大部分实现方案就是分舱:提取在仪器的一个密封舱,扩增在另一个密封舱,并且扩增舱也是负压。相当于把标准的PCR实验室的部分功能搬到了一台机器上来。而且为了规避气溶胶污染,往往还增加了很多措施:采用低温的等温扩增,靠固态石蜡密封扩增管(上海仁度);扩增管传递到扩增舱之前直接用一层塑料薄膜热封,确保PCR扩增过程中不会泄露气溶胶(瀚辰光翼)等等。此外,还有一些标配措施:UV光照,气溶胶过滤膜等等。


整体来看,相比于微流控的实现方案,机械臂全自动核酸检测工作站一般设备比较大,更讲究的是样本检测通量高,也更适合多样本少指标检测的应用场景。


在POCT级别的全自动核酸检测系统领域,我们当前见到的产品绝大多数都是基于微流控技术实现的。大家可以看看下面的这些投资并购案例:


1、201696日,丹纳赫公司宣布计划以40亿美元收购微流控分子诊断产品GeneXpert的母公司Cepheid2020GeneXpert销售额近20亿美元。2021GeneXpert销售额38亿美元。


2、生物梅里埃2013年9月宣布以4.5亿美元收购微流控分子诊断产品FilmArray的母公司BioFire;2020年FilmArray销售额突破10亿欧元。


3、罗氏2014年4月宣布以4.5亿美元收购微流控分子诊断产品cobas Liat的母公司Iquum。2021年3月15日,罗氏(Roche)与GenMark Diagnostics共同宣布,双方已就总交易价值约18亿美元现金收购后者事宜达成最终并购协议。


4、2018年3月赛默飞收购Integen X,该公司主要产品为微流控分子诊断设备Rapid HIT。2021年1月,赛默飞宣布以约5.5亿美元收购Mesa Biotech。


5、2018年2月凯杰宣布以1.91亿美元收购西班牙的传染病诊断公司Stat-Dx,该公司主要产品为微流控分子诊断设备DiagCORE。


6、2016年的12月,万孚生物以约合1.25亿元人民币持有了微流控分子诊断公司Atlas Genetics13.63%的股权。


7、2018年9月,万孚生物宣布与微流控分子诊断公司Biocartis组建中国合资公司,注册资本1400万欧元,万孚持有50%股权。


8、安图生物于2018年12月15日与芬兰微流控分子诊断公司Mobidiag Oy签署股权认购协议,出资约1000万欧元认购Mobidiag 约10.12%股权。2021年4月豪洛捷宣布以约8亿美元价格收购Mobidiag。


近两年,笔者也见到了一些使用小机械臂实现核酸检测全自动的小设备。而且尤为震惊的是,有的小设备竟然堂而皇之地把开放式提取和扩增集成在一个小空间里,然后大书特书自己的避免气溶胶污染的措施如何有效。这里笔者就理解不了了:这些避免气溶胶污染的措施如果真的像声称的那么有效,那么当前的核酸检测要PCR实验室做什么?这么明显的方案,赛沛和BioFire就想不到么?它们还非要去折腾明显更难实现且成本更高的GeneXpert和FilmArray。


笔者一直以为,做微流控全自动核酸检测产品就老老实实的做全提取,老老实实采用QPCR才能保证产品的性能。国外的我们耳熟能详的竞品基本都是这个逻辑。但是国内也有不少厂家综合考虑产品的研发周期,产品的实现难度,还是采取了一步法提取和恒温扩增。一步法提取和恒温扩增削弱了产品的检测性能,但在某些应用场景上也还是有一些市场机会。


此外,像FilmArray,diagCORE这类产品,除了微流控全自动核酸检测产品的属性以外,还自带多重QPCR的属性(多扩增腔室实现超多重)。这类产品在危急重症感染诊断领域将发挥优势。


当下,疫情在国外市场也催生了一大波家用核酸自检产品。这类应用场景下,怎么对普通家庭用户做好市场教育(让他们相信虽然核酸自检的东西贵且不好用,但比胶体金试纸条准),怎么降低产品的成本的情况下兼顾产品的性能(要成本低,所以要恒温扩增、一步法提取,但也要追求检测的准确度)等等,也都是难题。在中国,对于核酸家用自检产品,可能最大的挑战还是在于监管政策。



五、最后



当前基于微流控技术的体外诊断产品已经全面开花,除了上述传统的生化、免疫、分子领域外,在血气(雅培的iSTAT、理邦、万孚等)、凝血(普施康)、血球(创怀医疗)、数字PCR、癌症早筛(CTC、ctDNA、外泌体)、单分子免疫、单细胞测序等也都有产品呈现。后面有机会再展开论述。



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