一种用于药物筛选的集成化微流控芯片及其应用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种用于药物筛选的集成化微流控芯片及其应用方法。
【背景技术】
[0002]药物筛选是新药研究的最初过程和关键步骤，目的是发现新药，然而很长时间以来，成本过高、周期过长、过程复杂、通量不足、成功率低下等缺点一直制约着现代药物的筛选和开发。现阶段以96孔板为基础的高通量筛选由于其快速、高效等特点，适合药物初步筛选，被国际大多数药物研究机构广泛采用，并得到快速的发展，已成为药物筛选的主要技术手段之一。然而这种基于常规孔板的药物筛选方式存在一些局限，如试剂消耗大、操作繁琐、检测和分析灵敏度低等，这在很大程度上限制了其普及与应用。因此，药物筛选技术的微型化、自动化和低成本化是未来发展的必然趋势。
[0003]在20世纪90年代，瑞士的Manz和Widmer等首次提出了微流控芯片技术(Microfluidics)，该技术通过在大小仅为几平方厘米的芯片上集成各种具有功能单元的微通道，构成网络和阵列，并通过操纵流体在通道中的行为以实现各种常规化学和生物实验室中需要的甚至难以完成的功能。由于具有快速检测分析、试剂消耗量少、灵活可控、信息量大、高通量等诸多优点，如今这种技术已经广泛应用在生命科学、疾病诊断与治疗、药物合成与筛选等领域，成为21世纪最为热门的前沿技术之一。新药研发是微流控芯片最重要的应用领域之一，微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，利用微系统内流体独有的尺度效应，成十倍、百倍地提高样品处理和反应效率，大幅降低样品和试剂消耗，利用芯片快速和多通道的特点可显著提高分析和筛选通量。由于诸多优点，该技术可以克服传统药物筛选的限制，显著缩短整个药物筛选周期，微流控芯片技术的出现，给药物筛选领域带来了新的生机。
[0004]微流控芯片在细胞水平药物筛选方面有许多独特的优势，例如微流控芯片操作所需的细胞量很少，适合来源稀缺但又十分重要的细胞研究；芯片的多维网络结构形成相对独立、封闭的环境与体内环境类似，可以精确控制温度、成分等因素，从而高度模拟体内细胞外基质；且由于微通道中的高表面积体积比，使得更多的界面可以用来进行物质和能量交换，传送效率提高，细胞代谢加快，且可以将药物的合成分离富集、细胞培养、药物刺激、药效实时检测等多步工序集成在单片的微系统中。
[0005]目前，将微流控芯片技术用于细胞研究和药物筛选等方面已有不少报道，如Ye等人在文南犬(Nannan Ye, Jianhua Qin, ffeiwei Shi, XinLiu, Bingchen Lin, Cell-basedhigh content screening using an integrated micfluidic device,LabChip, 2007,7(12), 1696-1704)中构建了一种集成化细胞水平的药物筛选微流控芯片，该芯片集浓度梯度稀释和加样、细胞培养、细胞刺激和细胞标记等单元操作于一体，实现了肝癌细胞多种参数测量的高内涵筛选；Wu等在文献(Wu J1Wheeldon I1Guo Y, et al.A sandwiched microarray platform for benchtop cell-based high throughputscreening[J].B1materials, 2011, 32 (3): 841-848.)中设计了一种具有“三明治”夹层结构的、细胞水平的阵列式高通量筛选芯片，通过荧光检测药物与乳腺癌细胞(MCF-7 )的相互作用，筛选出潜在的抗肿瘤药物，实验采用9-羟基喜树碱进行实验，证明其有效可行，该方法为药物活性成分的筛选提供了一种快速、低成本的途径。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供一种用于药物筛选的集成化微流控芯片及其应用方法，该芯片含有浓度梯度生成结构区和阵列式细胞培养区，一次运行即可获得多个实验相关参数，为药物筛选和细胞-药物研究提供了一个全新的技术平台和方法。
[0007]为实现本发明的上述目的，本发明提供一种用于药物筛选的集成化微流控芯片，由上层的PDMS流体通道层与下层的适合细胞贴壁生长的玻璃层构成；所述PDMS流体通道层与玻璃层通过氧等离子键合构成不可逆结构的流体通道单元。
[0008]所述流体通道单元包括:位于芯片上游的浓度梯度生成结构区与位于芯片下游的阵列式细胞培养区；所述浓度梯度生成结构区与阵列式细胞培养区之间设有缓冲结构区，所述浓度梯度生成结构区、阵列式细胞培养区、与缓冲结构区通过微通道相互连通。
[0009]所述阵列式细胞培养区由若干列细胞培养单元相互并联组成，所述细胞培养单元由若干个细胞培养腔通过微通道相互串联组成一列，每两列细胞培养单元的出口由微通道逐级互相连接，最终连接成一个出口通道，该出口通道末端作为细胞注入口。
[0010]所述浓度梯度生成结构区最上端设有若干个进样孔，所述浓度梯度生成结构区由多级相互连通的分支通道组组成，所述分支通道组由若干个分支通道相互连通组成，所述分支通道组的分支通道数量从进样孔向缓冲结构区逐层依次增加，至数量与细胞培养单元的列数相同；所述进样孔的数目大于I个小于细胞培养单元的列数。
[0011]所述缓冲结构区由若干列缓冲单元组成，所述缓冲单元的列数与细胞培养单元的列数相同。
[0012]所述浓度梯度生成结构区最下层分支通道的每一个出口，都通过所述缓冲结构区的一列缓冲单元与阵列式细胞培养区的一列细胞培养单元入口相连接。
[0013]所述阵列式细胞培养区由四列或四列以上的细胞培养单元相互并联组成，所述细胞培养单元由三个或三个以上的细胞培养腔相互串联组成一列，所述每列细胞培养单元中包含的细胞培养腔的数量相同。
[0014]所述进样孔为两个，分别为药物入口和培养基入口。
[0015]所述相邻的分支通道组连通形成的横向直型通道宽度为为200-400 μ m，弯曲的分支通道宽度为100-300 μ m。
[0016]所述细胞培养腔截面为圆形或椭圆形，尺寸为(0.8-1.2) X (0.8-1.2)mm。
[0017]所述微通道宽度为200-500 μ m。
[0018]所述缓冲单元的弯曲流道宽度为100-300 μπι。
[0019]所述芯片的浓度梯度生成结构区、阵列式细胞培养区、缓冲结构区通道高度相同，为 80-200 μπ?ο
[0020]本发明还提供一种用于药物筛选的集成化微流控芯片的应用方法，具体步骤如下。[0021 ] 步骤1、使用微流体驱动装置，将细胞悬液通过阵列式细胞培养区的细胞注入口注入芯片，待细胞均匀注满各细胞培养腔后，移走微流体驱动装置，使芯片中溶液处于静置状态，并将芯片置于细胞培养箱中放置培养。
[0022]步骤2、培养3-3.5h后细胞贴壁，用微流体驱动装置经由细胞注入口，以0.1-0.4 μ L*min 1的速度实时通入培养液，并将芯片置于细胞培养箱中进行实时培养。
[0023]步骤3、培养12_72h后停止实时培养，用软胶带贴住缓冲结构区的各出液口，在浓度梯度生成结构区的进样孔处，分别作为药物入口和培养基入口，分别加入所需浓度的待测药物溶液和空白培养液，并使用微流体驱动装置同步施加驱动力，使得药物实施注入的速度为0.1-1 yL*min \使溶液始终保持从上游的浓度梯度生成结构区流向下游的阵列式细胞培养区，芯片置于细胞培养箱中。
[0024]步骤4、12_72小时后停止注入所述待测药物溶液和空白培养液，揭下缓冲结构区的各出液口的软胶带，从细胞注入口处加入洗涤溶液，使用微流体驱动装置施加驱动力，以0.2 μ L*min 1对细胞进行洗涤。
[0025]步骤5、在所述细胞注入口处加入染色溶液，施加使用微流体驱动装置施加驱动力，以0.2 μ