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綜述:微流體系統(tǒng)在傳染病診斷中的應(yīng)用

微生物包括單細(xì)胞和多細(xì)胞實體,作為自然界中無處不在的生命形式,表現(xiàn)出顯著的多樣性。它們通過提供維持不同生態(tài)系統(tǒng)(包括高等宿主生物)生物過程的基本成分發(fā)揮著關(guān)鍵作用。人體腸道微生物群內(nèi)的復(fù)雜相互作用對代謝功能、免疫反應(yīng)和生化信號傳導(dǎo)至關(guān)重要,特別是通過腸道-大腦軸。病毒在生物過程中也發(fā)揮著重要作用,例如在活細(xì)胞內(nèi)復(fù)制時通過水平基因轉(zhuǎn)移增加遺傳多樣性。另一方面,微生物制劑對人體的感染可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的生理紊亂和疾病。傳染病對全球醫(yī)療保健系統(tǒng)構(gòu)成了重大負(fù)擔(dān),其特征是流行病學(xué)格局的巨大變化??股啬退幮缘目焖賯鞑セ騻魅静〉氖Э乇l(fā)是目前的主要挑戰(zhàn)。此外,在資源匱乏的環(huán)境中,向受影響最嚴(yán)重的人群提供經(jīng)過現(xiàn)場驗證的護(hù)理點診斷工具尤為重要且具有挑戰(zhàn)性。需要實施新的范式和技術(shù)方法,以實現(xiàn)快速和知情的疾病管理。在這方面,利用微流體系統(tǒng)結(jié)合基于集成生物傳感器的病原體檢測的傳染病診斷提供了一系列創(chuàng)新和有前景的解決方案。在這篇綜述中,我們旨在概述微流體診斷工具開發(fā)的最新活動和進(jìn)展。本文獻(xiàn)研究主要涵蓋了過去5年科研人員遵循基于主要在臨床層面涉及的人體系統(tǒng)或特定病原體傳播模式的分類方案。結(jié)核病和瘧疾等重要疾病將得到更廣泛的治療。

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微流體和微流體裝置

微觀尺度下的流體性質(zhì)流體動力學(xué)由Navier-Stokes方程控制,該方程原則上解釋了宏觀尺度上任何一種復(fù)雜的流體現(xiàn)象,包括湍流模式。通過將尺寸減小到微觀尺度,力的平衡發(fā)生了變化。慣性力通常與粘性力或與界面相關(guān)的力無關(guān)。這會產(chǎn)生與我們的直覺相反的特定流體特性,但可能對微尺度上的生命和微流體裝置的設(shè)計產(chǎn)生重大影響。例如,由于斯托克斯流的可逆性,細(xì)菌需要鞭毛而不是鰭來推進(jìn)。微流體系統(tǒng)設(shè)計需要考慮到,由于層流特性,在微尺度上高效快速混合是具有挑戰(zhàn)性的。另一方面,毛細(xì)管力使自推進(jìn)的連續(xù)流流體回路成為可能。在兩相液體系統(tǒng)中,非平衡效應(yīng)可用于在微通道中產(chǎn)生單分散液滴。流體特性可以方便地用無量綱數(shù)來描述。特別是,微流體域的特征是雷諾數(shù)Re較小,對應(yīng)于流體中慣性力與粘性力的比值。如果在中間Re數(shù)下操作,微流體應(yīng)用也可能利用慣性效應(yīng)。描述微流體中流動動力學(xué)和分子輸運的相關(guān)數(shù)字的其他例子是Péclet數(shù)或毛細(xì)管數(shù)。這些數(shù)字在微流體裝置的設(shè)計和分析集成中起著重要作用。

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微流體設(shè)備類別微流體系統(tǒng)能夠精確控制小液體樣品體積的時空,并精確操縱生物分子、細(xì)胞或顆粒。彈性體聚合物(聚)二甲基硅氧烷(PDMS)帶來了微流體裝置或芯片實驗室(LOC)設(shè)計的重大突破。具有片上單片PDMS閥和蠕動泵的微流體系統(tǒng)可以通過多層軟光刻技術(shù)輕松制造,最終實現(xiàn)了生物分子檢測的微流體大規(guī)模集成。由于PDMS是一種透氧透明材料,因此在片上實現(xiàn)了先進(jìn)的基于細(xì)胞的檢測,例如具有單細(xì)胞分辨率的快速AST、微生物群落或更大模型生物(如秀麗隱桿線蟲)的研究。此外,生物分子可以通過功能化磁珠在片上捕獲和運輸。液滴微流體是一種強(qiáng)大而通用的格式,實現(xiàn)了具有數(shù)字讀出的高通量生物測定。nL大小的液滴中的隔室和同時編碼提供了高多路復(fù)用能力。其他特性,如液滴中的快速混沌混合,也可以被利用。許多應(yīng)用已經(jīng)適應(yīng)了數(shù)字微流體,特別是用于單細(xì)胞分析,包括具有單細(xì)胞分辨率的快速高通量AST,或用于分子生物學(xué)。離心微流體或圓盤實驗室(LoaD)設(shè)備,即在具有定制設(shè)計的流體回路的聚合物圓盤盒上實施生物測定,是可能用于POC應(yīng)用的平臺。等分、閥門和混合等操作,例如用于核酸的純化和擴(kuò)增,可以直接在圓盤上進(jìn)行,用戶干預(yù)最少,這也要歸功于圓盤上的試劑存儲。作為例如,一個片上實驗室平臺被設(shè)計用于急性發(fā)熱性疾病的自動POC鑒別診斷。紙張是微流體應(yīng)用的一種有吸引力的基材,因為它很便宜,一次性使用,由于自驅(qū)動毛細(xì)管流,不需要外部流體控制。側(cè)流檢測(LFA)或快速診斷測試(RDT)是用于定性診斷的常用簡單紙質(zhì)設(shè)備,主要用于免疫層析檢測。實施更靈敏和定量的檢測旨在克服LFA的當(dāng)前局限性,并擴(kuò)展可能的應(yīng)用范圍。微流體紙分析設(shè)備(μPAD)在紙基材上具有圖案化的疏水邊界,以創(chuàng)建微流體流體結(jié)構(gòu)和可能的其他流體控制工具。μPAD能夠分析復(fù)雜的(如血液)和少量的生化樣本。3D紙堆或可折疊折紙設(shè)計擴(kuò)展了μPAD的復(fù)雜性和多路復(fù)用能力,使其能夠集成更先進(jìn)的抗體或核酸檢測。μPAD是無電的,因此是低資源環(huán)境中POC應(yīng)用的有前景的診斷工具。

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