微流控技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

微流控技術(shù)是對微量流體的精確操控的技術(shù)手段，尤其是指在亞毫米尺寸級別上。微流控技術(shù)滿足了體外診斷對于少量液體的連續(xù)操控以使其順序發(fā)生生化反應(yīng)并得出最終檢測結(jié)果的需求。

把傳統(tǒng)的體外診斷設(shè)備做小，以實(shí)現(xiàn)POCT級別的檢測，常見的方式就是側(cè)向?qū)游?。雖然此類產(chǎn)品操作簡單，但側(cè)向?qū)游鲎饔貌荒?模擬基于實(shí)驗(yàn)室的多步驟分析過程，而這些步驟對于產(chǎn)生高重復(fù)性、定量和高靈敏度的結(jié)果至關(guān)重要。在過去幾十年里，業(yè)界一直對改善側(cè)向?qū)游龅男阅芎芨信d趣，但到目前為止還沒有取得重大進(jìn)展。當(dāng)然，疫情下，由于一些國家沒有足夠的條件來開展核酸檢測，也讓簡單易用的免疫層析再次火爆。國內(nèi)不少IVD企業(yè)抓住機(jī)遇，產(chǎn)品出海并大賺特賺。

下面將分別展現(xiàn)IVD各個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用微流控技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品，也聊一聊筆者對于這些產(chǎn)品的認(rèn)識。

在生化檢測領(lǐng)域，產(chǎn)品是Abaxis的Piccolo Xpress™即時(shí)生化檢測儀，也就是大家所熟知的離心生化盤。Abaxis于2018年5月被碩騰收購。

國內(nèi)多家公司有類似產(chǎn)品，比如天津微納芯，成都斯瑪特，廣州萬孚生物，北京博奧生物，蘇州含光微納，紹興普施康，武漢芯生，深圳錦瑞等等。說是類似，是因?yàn)閲鴥?nèi)一些離心生化盤還是有些區(qū)別：1. Abaxis是預(yù)置了一個(gè)稀釋液，所以只需要加樣本。國內(nèi)有些產(chǎn)品直接舍去了稀釋液的預(yù)置，需要加樣的同時(shí)也要加入稀釋液；2. Abaxis本身是采用超聲焊接工藝實(shí)現(xiàn)的微流控芯片的封裝。在國內(nèi)，大家更傾向于采用膠粘工藝?？赡艹暫附庸に囎龇€(wěn)定還是比較難的，而且超聲焊接本身工藝的過程檢驗(yàn)也是非常困難。

吊詭的是，這些公司里，有的雖然產(chǎn)品拿到了注冊證，但還是主要銷往動(dòng)物診斷市場。阻礙離心生化盤在人醫(yī)市場大展拳腳的最大問題還是耗材成本。雖然離心生化盤可以實(shí)現(xiàn)單樣本多指標(biāo)檢測，但是綜合耗材物料成本也在10-20人民幣之間。而傳統(tǒng)的生化分析儀的主要耗材只有試劑，其成本優(yōu)勢明顯。

生化檢測領(lǐng)域，離心生化盤能一統(tǒng)江山也是有其內(nèi)在邏輯的。與其他微流控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)比起來，離心微流控只需要一個(gè)主體注塑組件，只需要一次封接。所以其可制造性強(qiáng)，成本可控。此外，離心微流控盤片上無處不在的離心力能順利地實(shí)現(xiàn)多反應(yīng)腔的并行反應(yīng)，體現(xiàn)在產(chǎn)品上就是單樣本多指標(biāo)檢測。

首先聊聊微流控技術(shù)在免疫熒光中的應(yīng)用。說微流控免疫熒光就不得不說Alere的Triage了。該產(chǎn)品在免疫層析的基礎(chǔ)上，對硝化纖維紙做了親疏水性的處理，使液體只沿著親水性管道擴(kuò)散。對比傳統(tǒng)的免疫層析的*不受約束的側(cè)向流動(dòng)，該產(chǎn)品液體流動(dòng)控制能力更強(qiáng)，其檢測性能就更優(yōu)秀一些。國內(nèi)深圳微點(diǎn)，蘇州含光微納等均有類似產(chǎn)品。

也有一些廠家利用非紙基微流控（paper microfluidics）技術(shù)實(shí)現(xiàn)免疫多聯(lián)檢。其中最典型的是Lumira Dx家的產(chǎn)品，該公司曾借東風(fēng)以50億美元的估值在納斯達(dá)克上市，轟動(dòng)一時(shí)。

Lumira Dx

國內(nèi)做微流控免疫多聯(lián)檢的，筆者知道的有石家莊禾柏和成都微康。兩家公司都很默契地選擇了離心微流控平臺(tái)來做。最主要的原因還是在于，離心盤上離心力無處不在，很容易實(shí)現(xiàn)反應(yīng)試劑的等量分發(fā)以及并行的反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)指標(biāo)的檢測。而且一樣的，離心微流控相對制造工藝簡單，成本可控。

對于傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域，也有一些公司嘗試用微流控實(shí)現(xiàn)其小型化和全自動(dòng)化。最典型的代表是深圳的華邁興微和紹興的普施康。普施康的微流控化學(xué)發(fā)光方案很有特色，微流控芯片只是個(gè)反應(yīng)容器，本身只是個(gè)一類備案產(chǎn)品?；瘜W(xué)發(fā)光試劑是獨(dú)立拿的注冊證。試劑在使用的時(shí)候，由機(jī)器內(nèi)部的機(jī)械臂現(xiàn)場自動(dòng)加樣。但是從結(jié)果的角度上來看，當(dāng)前普施康主要推的產(chǎn)品還是離心微流控凝血。

華邁興微

筆者以為，微流控做化學(xué)發(fā)光是有很大的挑戰(zhàn)性的。首先，化學(xué)發(fā)光講究定量，而微流控中定量實(shí)現(xiàn)起來是很難的。想定量檢測，以下三點(diǎn)缺一不可：1.參與反應(yīng)的液體試劑要能準(zhǔn)確定量；2.液體在微流控芯片中的流動(dòng)可控性很強(qiáng)，管道和腔室不能有死角，最終不能有反應(yīng)液體殘留；3.反應(yīng)要充分。我們知道在微流控領(lǐng)域，微量液體的流動(dòng)是以層流為主的，要想反應(yīng)充分就要在微小管道和腔室內(nèi)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)液體的充分混勻，這在層流為主的微流控芯片內(nèi)部頗具挑戰(zhàn)性。其次，化學(xué)發(fā)光本身可以通過小機(jī)械臂的方式實(shí)現(xiàn)其全自動(dòng)化，比如深圳天深醫(yī)療的方案。相比于天深的方案，微流控化學(xué)發(fā)光產(chǎn)品在耗材成本上就劣勢明顯。想規(guī)避這一問題，就最好做成微流控化學(xué)發(fā)光多聯(lián)檢，但是當(dāng)前這類產(chǎn)品也并不多見。

順便也聊聊東莞博識的微流控磁敏免疫產(chǎn)品m16，此款產(chǎn)品用微流控技術(shù)及巨磁阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的免疫多聯(lián)檢，是具有突破性創(chuàng)新的產(chǎn)品。但實(shí)際市場反響也不太及預(yù)期。筆者以為，可能原因有兩點(diǎn)：1.巨磁阻效應(yīng)應(yīng)用在免疫診斷中產(chǎn)品畢竟比較少，本身技術(shù)打磨、做到穩(wěn)定可靠還是需要一定的時(shí)間沉淀；2.因?yàn)榫薮抛栊?yīng)的應(yīng)用，m16的微流控耗材是集成了塑料和金屬兩大類材料。這就導(dǎo)致微流控耗材加工工藝復(fù)雜，耗材量產(chǎn)難度較大，且比較難控制好成本。

m16磁敏免疫分析儀

微流控全自動(dòng)核酸檢測被一些自媒體稱之為IVD當(dāng)前最卷的賽道是有一些道理的。筆者2018年開始做這個(gè)方向的時(shí)候，很多人對于核酸檢測還不太熟悉?，F(xiàn)在疫情直接催熟了整個(gè)市場，再加上賽沛GeneXpert和生物梅里埃的FilmArray的驚人銷售額，讓大家紛紛在此領(lǐng)域布局。當(dāng)然，讓不少IVD企業(yè)也有資金實(shí)力去布局新的產(chǎn)品。

從底層邏輯上講，核酸檢測當(dāng)前也確實(shí)是亟需取得新突破。當(dāng)前的核酸檢測，一是為了規(guī)避氣溶膠污染和樣本交叉污染，需要在標(biāo)準(zhǔn)的PCR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；二是需要持有PCR上崗證的專業(yè)操作人員來進(jìn)行檢測。總而言之，當(dāng)前核酸檢測由于污染問題和全自動(dòng)化問題沒有*得到解決，所以其對于實(shí)驗(yàn)室場地和人員都有要求。

微流控全自動(dòng)核酸檢測產(chǎn)品，諸如GeneXpert和FilmArray，在一個(gè)密閉的微流控卡盒里進(jìn)行核酸檢測的全流程，且整個(gè)檢測與環(huán)境基本*隔絕，就不再擔(dān)心氣溶膠污染。此外，一個(gè)卡盒只能檢測一個(gè)樣本，也基本杜絕了樣本交叉污染。所以這類產(chǎn)品使得核酸檢測*擺脫了對于標(biāo)準(zhǔn)PCR實(shí)驗(yàn)室的依賴。又由于GeneXpert和FilmArray基本實(shí)現(xiàn)了“smaple-to-answer”近乎傻瓜式的操作，所以普通醫(yī)護(hù)人員稍加培訓(xùn)，就能掌握該產(chǎn)品的使用。也大大降低了對于專業(yè)操作人員的需求。

GeneXpert

說到這里，可能大家會(huì)有一個(gè)疑問：核酸檢測的全自動(dòng)化是否一定要依賴于微流控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)？肯定不是。

實(shí)現(xiàn)核酸檢測的全自動(dòng)化大致有兩條路徑，第一條是機(jī)械臂工作站。

我們知道全自動(dòng)核酸提取儀和標(biāo)準(zhǔn)的QPCR儀已經(jīng)非常成熟了，那為何遲遲不能把這兩個(gè)產(chǎn)品連起來變成一個(gè)全自動(dòng)的工作站呢？這里最大的問題還是氣溶膠污染。在標(biāo)準(zhǔn)的PCR實(shí)驗(yàn)室里，提取和擴(kuò)增一定是在兩個(gè)房間里進(jìn)行，而且擴(kuò)增間是負(fù)壓環(huán)境。這是因?yàn)殛栃詷颖綪CR反應(yīng)后期，PCR反應(yīng)管里的靶基因片段濃度非常高，而PCR反應(yīng)的變性溫度又是九十多度。這時(shí)候，一旦PCR反應(yīng)管有漏氣，靶基因片段就會(huì)隨著水蒸氣擴(kuò)增到整個(gè)空氣中，形成DNA氣溶膠污染。于是整個(gè)房間里彌散著靶基因片段。擴(kuò)增間負(fù)壓是為了保證即使在這種情況下，氣溶膠也被困在了PCR擴(kuò)增間，不會(huì)擴(kuò)散到提取部分。要知道，當(dāng)前的核酸提取，不管是手工操作還是全自動(dòng)核酸提取儀，對應(yīng)的提取試劑都是要與周圍空氣充分接觸的。所以要把全自動(dòng)核酸提取儀和PCR擴(kuò)增儀連起來變成一個(gè)全自動(dòng)的工作站可不是一件簡單的事情。

對于上述問題，筆者看過很多的解決方案。從羅氏到安圖生物，從仁度、伯杰到杭州博日、成都翰辰光翼、廣州和實(shí)等等。大部分實(shí)現(xiàn)方案就是分艙：提取在儀器的一個(gè)密封艙，擴(kuò)增在另一個(gè)密封艙，并且擴(kuò)增艙也是負(fù)壓。相當(dāng)于把標(biāo)準(zhǔn)的PCR實(shí)驗(yàn)室的部分功能搬到了一臺(tái)機(jī)器上來。而且為了規(guī)避氣溶膠污染，往往還增加了很多措施：采用低溫的等溫?cái)U(kuò)增，靠固態(tài)石蠟密封擴(kuò)增管（上海仁度）；擴(kuò)增管傳遞到擴(kuò)增艙之前直接用一層塑料薄膜熱封，確保PCR擴(kuò)增過程中不會(huì)泄露氣溶膠（瀚辰光翼）等等。此外，還有一些標(biāo)配措施：UV光照，氣溶膠過濾膜等等。

整體來看，相比于微流控的實(shí)現(xiàn)方案，機(jī)械臂全自動(dòng)核酸檢測工作站一般設(shè)備比較大，更講究的是樣本檢測通量高，也更適合多樣本少指標(biāo)檢測的應(yīng)用場景。

在POCT級別的全自動(dòng)核酸檢測系統(tǒng)領(lǐng)域，我們當(dāng)前見到的產(chǎn)品絕大多數(shù)都是基于微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。大家可以看看下面的這些投資并購案例：

1、2016年9月6日，丹納赫公司宣布計(jì)劃以40億美元收購微流控分子診斷產(chǎn)品GeneXpert的母公司Cepheid。2020年GeneXpert銷售額近20億美元。2021年GeneXpert銷售額38億美元。

2、生物梅里埃2013年9月宣布以4.5億美元收購微流控分子診斷產(chǎn)品FilmArray的母公司BioFire；2020年FilmArray銷售額突破10億歐元。

3、羅氏2014年4月宣布以4.5億美元收購微流控分子診斷產(chǎn)品cobas Liat的母公司Iquum。2021年3月15日，羅氏（Roche）與GenMark Diagnostics共同宣布，雙方已就總交易價(jià)值約18億美元現(xiàn)金收購后者事宜達(dá)成最終并購協(xié)議。

4、2018年3月賽默飛收購Integen X，該公司主要產(chǎn)品為微流控分子診斷設(shè)備Rapid HIT。2021年1月，賽默飛宣布以約5.5億美元收購Mesa Biotech。

5、2018年2月凱杰宣布以1.91億美元收購西班牙的傳染病診斷公司Stat-Dx，該公司主要產(chǎn)品為微流控分子診斷設(shè)備DiagCORE。

6、2016年的12月，萬孚生物以約合1.25億元人民幣持有了微流控分子診斷公司Atlas Genetics13.63%的股權(quán)。

7、2018年9月，萬孚生物宣布與微流控分子診斷公司Biocartis組建中國合資公司，注冊資本1400萬歐元，萬孚持有50%股權(quán)。

8、安圖生物于2018年12月15日與芬蘭微流控分子診斷公司Mobidiag Oy簽署股權(quán)認(rèn)購協(xié)議，出資約1000萬歐元認(rèn)購Mobidiag 約10.12%股權(quán)。2021年4月豪洛捷宣布以約8億美元價(jià)格收購Mobidiag。

近兩年，筆者也見到了一些使用小機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)核酸檢測全自動(dòng)的小設(shè)備。而且尤為震驚的是，有的小設(shè)備竟然堂而皇之地把開放式提取和擴(kuò)增集成在一個(gè)小空間里，然后大書特書自己的避免氣溶膠污染的措施如何有效。這里筆者就理解不了了：這些避免氣溶膠污染的措施如果真的像聲稱的那么有效，那么當(dāng)前的核酸檢測要PCR實(shí)驗(yàn)室做什么？這么明顯的方案，賽沛和BioFire就想不到么？它們還非要去折騰明顯更難實(shí)現(xiàn)且成本更高的GeneXpert和FilmArray。

筆者一直以為，做微流控全自動(dòng)核酸檢測產(chǎn)品就老老實(shí)實(shí)的做全提取，老老實(shí)實(shí)采用QPCR才能保證產(chǎn)品的性能。國外的我們耳熟能詳?shù)母偲坊径际沁@個(gè)邏輯。但是國內(nèi)也有不少廠家綜合考慮產(chǎn)品的研發(fā)周期，產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)難度，還是采取了一步法提取和恒溫?cái)U(kuò)增。一步法提取和恒溫?cái)U(kuò)增削弱了產(chǎn)品的檢測性能，但在某些應(yīng)用場景上也還是有一些市場機(jī)會(huì)。

此外，像FilmArray，diagCORE這類產(chǎn)品，除了微流控全自動(dòng)核酸檢測產(chǎn)品的屬性以外，還自帶多重QPCR的屬性（多擴(kuò)增腔室實(shí)現(xiàn)超多重）。這類產(chǎn)品在危急重癥感染診斷領(lǐng)域?qū)l(fā)揮優(yōu)勢。

當(dāng)下，疫情在國外市場也催生了一大波家用核酸自檢產(chǎn)品。這類應(yīng)用場景下，怎么對普通家庭用戶做好市場教育（讓他們相信雖然核酸自檢的東西貴且不好用，但比膠體金試紙條準(zhǔn)），怎么降低產(chǎn)品的成本的情況下兼顧產(chǎn)品的性能（要成本低，所以要恒溫?cái)U(kuò)增、一步法提取，但也要追求檢測的準(zhǔn)確度）等等，也都是難題。在中國，對于核酸家用自檢產(chǎn)品，可能最大的挑戰(zhàn)還是在于監(jiān)管政策。

當(dāng)前基于微流控技術(shù)的體外診斷產(chǎn)品已經(jīng)全面開花，除了上述傳統(tǒng)的生化、免疫、分子領(lǐng)域外，在血?dú)猓ㄑ排嗟膇STAT、理邦、萬孚等）、凝血（普施康）、血球（創(chuàng)懷醫(yī)療）、數(shù)字PCR、癌癥早篩（CTC、ctDNA、外泌體）、單分子免疫、單細(xì)胞測序等也都有產(chǎn)品呈現(xiàn)。后面有機(jī)會(huì)再展開論述。