從抗生素到抗組胺藥，每一個讀者都在某種程度上受益于現(xiàn)代藥物。但藥物開發(fā)的成本是難以接受的。你知道嗎,平均而言,它需要大約12年,超過10億英鎊開發(fā)每一個新的藥。

Representation of the drug discovery & development pipeline. Credit: Isobel Steer

潛在藥物有兩種方式可以脫離藥物開發(fā)流程。它可能無法在人體中發(fā)揮作用（無效率），或者可能導(dǎo)致不可接受的副作用（毒性）。科學(xué)家們想在流水線早期找出哪些藥物效率低下或有毒。這可能是在一個裝滿細(xì)胞的培養(yǎng)皿中，或者是一瓶液體，潛在的藥物（也稱為“l(fā)ead”）與其生物學(xué)“目標(biāo)”混合在一起。這種試管階段被稱為體外（測試在活體動物體內(nèi)稱為）。體外是微流控進(jìn)入的第一步。

什么是微流控芯片？

微流控芯片（'微芯片'）是包含通道系統(tǒng)的微小平臺，旨在處理小于1微升的液體體積。根據(jù)設(shè)計，它們可以過濾，濃縮，混合，加熱，分離和檢測。制造微芯片的方法有很多，但通常需要實(shí)驗(yàn)室級的設(shè)備和設(shè)備。在大學(xué)里，許多微芯片都是由聚合物PDMS制成的，但這很難大規(guī)模生產(chǎn)。另一種選擇是由著名化學(xué)家George Whitesides開創(chuàng)的紙片微芯片。另一個尚在探索3D打印微芯片。

微芯片的優(yōu)勢

最初，微芯片的設(shè)計是為了通過使用較小的反應(yīng)體積來提高效率并減少浪費(fèi)。此外，它們的低成本和易于自動化使其在商業(yè)上具有吸引力。然而，人們很快意識到小型化可以擴(kuò)大現(xiàn)有生物測定的能力，以及化學(xué)合成技術(shù)。縮小尺寸將顯著改變表面體積比和分子擴(kuò)散。結(jié)果是：你可以做更多的反應(yīng)，速度更快。這種高通量技術(shù)是醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)的里程碑之一。

用于藥物合成的微芯片

據(jù)估計，潛在的藥用分子的數(shù)量約為1063-a.k.a.one vigintill。使用宏觀方法合成和篩選候選分子是耗時且昂貴的。微流體可以提供顯著的改進(jìn)。例如，研究人員使用微反應(yīng)器在20分鐘內(nèi)合成出高產(chǎn)率的二肽，這是前一個24小時，50％產(chǎn)量宏觀反應(yīng)器的巨大改進(jìn)。

用于體外篩查藥物的微芯片

微芯片不僅可用于合成潛在的藥物分子，還要測試這些化學(xué)分子如何與生物靶標(biāo)結(jié)合。例如，國外某研究所開發(fā)了一個高通量的微流體平臺來測試轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，成功預(yù)測了體內(nèi)功能。在另一個有趣的例子中，草藥（一個價值數(shù)十億美元的市場）在電極微芯片上作為抗抑郁藥進(jìn)行了測試。

今年早些時候開發(fā)出了合成和篩選的創(chuàng)新組合，它們合成了金屬配合物，然后測試了它們?nèi)绾闻c稱為端粒的折疊DNA結(jié)構(gòu)結(jié)合。整個過程在單個微流體平臺上進(jìn)行。

用于檢測細(xì)胞藥物的微芯片

在活細(xì)胞上測試化合物是藥物開發(fā)流程中的關(guān)鍵步驟，但這需要盡可能接近生命體的生理?xiàng)l件。利用微流控技術(shù)，您可以操縱細(xì)胞或細(xì)胞大小的體積;你可以同時查看大量的數(shù)據(jù)。例如，PDMS微芯片已用于研究穿過細(xì)菌膜的抗生素。

微芯片也被開發(fā)用于向神經(jīng)元細(xì)胞施用重復(fù)的微量緩激肽（一種炎癥介質(zhì)）。這模仿了生物突觸 - 在芯片上。事實(shí)上，越來越多的研究使用微流控平臺來監(jiān)測藥物對細(xì)胞的長期影響，有效地構(gòu)建人造血管，神經(jīng)和肌肉。未來，這些設(shè)備有可能取代動物實(shí)驗(yàn)。這種工作模糊了科學(xué)術(shù)語“體外”和“體內(nèi)”之間的界限。

未來

在藥物輸送途徑的早期階段，如化學(xué)合成，分子篩選和活細(xì)胞中藥物的臨床前檢測，微流控平臺顯然對現(xiàn)有技術(shù)提供了不小的改進(jìn)。然而，問任何微流控研究人員，他們會告訴你，首先必須克服各種限制。這些包括標(biāo)準(zhǔn)化微流體通道的材料和幾何形狀，以及研究長期的微芯片性能。為了幫助下一代工業(yè)醫(yī)學(xué)研究人員縮短和精簡藥物開發(fā)流程，大規(guī)模生產(chǎn)微芯片也需要開展。