[发明专利]一种自反馈式高通量微流控系统及方法

说明书

本发明公开了一种自反馈式高通量微流控系统及方法，包括：微流控芯片、多通道微流体控制模块、自动成像模块、分析控制系统；分析控制系统，用于：控制自动成像模块对微流控芯片中培养的生物组织或细胞样本进行拍摄，获取生物图像，对生物图像进行实时分析，得到实验结果，并将实验结果反馈至多通道微流体控制模块；多通道微流体控制模块根据实验结果对微流控芯片中的实验参数进行调整。本发明结合了微流控技术、自动显微成像技术、自动图像分析和数据处理技术的优势，通过集成实现全自动自反馈高通量显微成像，可以应用于基于活细胞和生物组织的高通量药物筛选等复杂生物医药实验，准确性高，更加便捷。

技术领域

本发明涉及生物样本培养技术领域，特别涉及一种自反馈式高通量微流控系统及方法。

背景技术

药物筛选是新药研发的关键步骤，创新药物的发现需要采用适当的药物作用靶点对大量化合物样品进行筛选，在临床前实验阶段，需要对药物的安全性和有效性进行分析、检测，在一过程中涉及数以千计的样本，考量包括药物浓度、递送方式、生物微环境、细胞种类等条件因素。目前，临床抗肿瘤最有效的联合疗法，则需要筛选万甚至十万量级的药物组合方案。现有技术中采用人工的方式对药物条件下的生物样本进行逐一检测，工作枯燥，步骤单一，筛选结果容易产生人工误差，且耗时长，造成药物研发成本大幅度提高和延误治疗等严重问题。

全自动化操作系统代替人工操作显然有诸多优势，其利用计算机通过操作软件控制整个实验过程，操作简单，单人短时间内可完成传统实验检测手段数月的工作量，筛选结果真实可靠，而且可以同时在多个样本中筛选多种药物，实现较高的通量。当前，实现全自动化生物医药实验且具备活细胞和生物组织培养能力的技术手段主要有全自动机器人(如，镁伽MegaLab生物安全机器人)和阀控微流控技术。相对于生物安全机器人昂贵的价格、庞大的体积和及其复杂的操作程序，阀控微流控技术基于微流控芯片实现，具有微型、高效、高通量、自动化和制造成本低等优势，可以自动完成细胞的接种、培养液的更换或添加、药物的加入与清洗、细胞染色试剂的添加等操作。而且，微流控芯片消耗的生物样品和药品量都极低，达到纳升级别，可以大大节省实验成本。

目前基于微流控技术的高通量筛选主要有三大类：1.基于液滴模式的微流控的筛选系统。该系统利用互不相溶的两相包裹细胞的液滴，在液滴中完成细胞的培养和对细胞的药物刺激等操作。例如：Wong等设计的一种PDMS通道芯片，用于形成细胞液滴进行药物筛选(Wong AH,et al.Sci Rep,2017,7,9109)。何凤屏等人提出的一种微流控芯片检测外泌体GPC1蛋白的方法及其在胰腺癌早期诊断中的应用(CN 111208297 A)。这类系统可以在短时间内形成大量细胞液滴，提高实验的通量，并可有效降低试剂的消耗量。但该类系统无法对培养细胞的营养物质进行更新。2.基于微阵列模式的微流控细胞筛选系统。该类系统在细胞培养的载体上，通过一定的手段生成细胞液滴阵列，并对细胞液滴阵列进行操控和分析。例如，Lee等人构建的一种名为水凝胶液滴阵列的微阵列芯片系统，将其应用于高通量药物筛选实验中(Lee M,et al.PNAS,2008,105,59)。刘啸虎等人提出的一种光谱生物传感装置(CN 112067585 A)。该类型的系统通常较为复杂，同时这些操作的实现还要依赖于高精度且配套的液体操控设备。3.基于灌注流模式的微流控细胞筛选系统。该类系统通过控制流体连续流过微通道，将细胞接种在微通道中的培养腔室，并完成对细胞的药物刺激。例如：Wang等设计了一种基于灌注流模式的微流控芯片，用于正交化的药物筛选(Wang Z,etal.Lab Chip,2007,7,740)。杨金易等人提出一种微流控芯片免疫检测试剂盒及其检测方法(CN 111077319 A)。

但是，在目前，大多数基于微流控技术的高通量筛选系统还难以在超微量和高通量水平下完成培养、加药、检测、分析等全过程操作的自动化，难以自动实现大规模具有不同组成和浓度药物的加入和刺激，难以自动实现筛选结果的快速高通量检测。

发明内容