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          疾病診治也能“私人定製”

          ——浙大研發國內首套PET分子影像探針微流控模塊化集成合成系統

          發佈時間:2019-05-13來源:中國教育報作者:柯溢能 吳雅蘭0

              4月8日,浙江大學對外發布 ,該校覈醫學與分子影像研究所張宏教授團隊 ,成功研製國內首套具有自主知識產權的PET分子影像探針微流控模塊化集成合成系統。

              目前研製成功的樣機,具有低成本、多模塊、快合成、自動化等特點,採用微流控芯片模塊化策略 ,在一臺儀器上可以合成不同的PET分子影像探針 。這項分子影像探針合成研究成果,不僅極大拓展個體化、精準醫療的PET臨牀應用 ,還可爲相關新藥研發發揮重要支撐作用 ,對於我國搶佔該領域的科學研究制高點具有重要戰略意義 。

              記者在現場看到了這個“小傢伙” ,外形爲35釐米×25釐米×28釐米的黑盒子,並配備了一個外置顯示器  ,重7—8千克。

              團隊歷時12年 ,突破了高可靠有機反應微流控芯片的製造工藝、多流路試劑注入和產物引出、零死體積微單元的接口,以及氣液流體控制系統、電子控制系統、反應控制系統、軟件控制系統的集成等多個主要技術難題,形成9項重要專利,並且在放射量、製備時間、前體量、溶劑消耗量、功率消耗、設備成本等關鍵能耗指標上 ,較現有設備降低62%—98% 。

              正電子發射型計算機斷層顯像(Positron Emission Tomography ,簡稱PET)是國際上最先進的分子影像學檢查技術,能夠反映活體狀態下細胞或分子水平的變化,有助於理解這些特定分子的生物學行爲和特徵 。通過特定標記的藥物  ,可以動態顯示機體內各種組織器官及細胞代謝的生化改變、基因表達、受體功能等生命關鍵信息,揭示疾病生物學過程 ,實現腫瘤、心血管及神經精神等重大疾病的精準診治 。

              分子影像探針是PET和核醫學的關鍵 ,是一種特異性的顯像劑,其中發揮信號作用的是放射性核素。這些放射性核素就像“偵察兵” ,能爲醫生和科研人員找到病竈的位置。但是“偵察兵”本身不能在人的體內巡邏,需要躲藏在像特洛伊木馬那樣的特定介質中 ,通過與病竈上的特定受體等結合 ,一路釋放信號留下蛛絲馬跡,做好生物學特徵標記。

              分子影像探針的特殊性在於“一把鑰匙開一把鎖”,要觀察特定的生化過程 ,需要特定的探針。目前,國際上已經有這類分子影像探針100餘種,隨着科研人員的不斷探索這個數量還會不斷增加。

              正所謂,工慾善其事必先利其器。課題組成員、浙江大學醫學中心副主任田梅介紹,她在這項研究中首先是從臨牀提出需求 ,凝練科學問題,然後與科研團隊開展交叉研究。

              做小、做好、標記到其他介質,是分子影像探針研製中的難題 。作爲浙江大學醫學與分子影像研究所所長的張宏,帶領田梅、浙江大學化學系特聘副研究員潘建章、化學系微分析系統研究所所長方羣教授、化學系副教授雷鳴、化學系副教授徐光明、化學工程與生物工程學院特聘研究員和慶鋼,圍繞國家衛生與健康重大挑戰,瞄準重大疾病精準診治關鍵問題,組建交叉學科團隊,提出了PET分子影像探針微流控模塊化集成合成系統這一設計思路。

              說到化學合成,大家首先想到的是瓶瓶罐罐的實驗器皿  ,微流控技術則是把瓶瓶罐罐放到微流控芯片的微通道網絡中,讓不同流體在其中實現混合、反應、純化等過程 。張宏團隊設計出一款特殊的微流控芯片,由石英制成  ,兩張名片大小 ,但是裏面卻大有乾坤。

              微流控合成 ,就是在具有微小尺度通道網絡的芯片結構內 ,通過對反應物質流體進行控制 ,實現合成反應的微量快速合成新技術 。“小是爲了解決快速反應和微量探針的合成 。”潘建章介紹,他們採用的微流控芯片結構 ,使其在容納流體的有效結構(包括通道、反應室和其他功能部件)中至少在1個維度上爲微米級。

              “通常微通道寬度和深度爲10—500微米 ,長度爲10—100釐米,最小的通道內徑比一根頭髮絲還要細 。”潘建章說。

              微流控技術可以顯著增大流體環境的面積與體積的比例  ,強化傳質和傳熱效應 ,提高反應選擇性、速度和操作安全性,實現高效的反應合成 。針對微流控系統內難以實現主動的混合和快速的乾燥、換相等難題,研究團隊通過獨特的微流控芯片設計,將問題一一解決。

              隨着研究的深入,課題組將微流控芯片迭代成爲涵蓋微泵、微儲液器、連接微管、微混合器、微分離純化柱的以微流控芯片反應器爲主的合成系統。

              張宏團隊研製的微流控芯片反應器 ,能夠合成不同的分子探針 。根據不同探針的合成反應需要,他們開發出具有不同的微流控芯片反應器。與此同時,通過自動控制的通道切換 ,把不同的試劑通入反應芯片。

              因此,一旦芯片插入儀器,需要什麼試劑 ,就像在飲料機上面選飲料,根據需求對接 。這樣一來,針對不同的分子影像探針製造,通過更換微流控芯片即可實現 。每一個芯片就像一盤磁帶 ,插上不同的磁帶能夠放出不同的歌曲 ,插上不同的芯片就能獲得不同的探針。

              張宏團隊還通過系統化集成研究,構建了微流控合成儀主機控制系統  ,實現了全自動遠程控制,只需要在電腦上選擇配置方案,便可一鍵合成所需分子影像探針 。


          《中國教育報》2019年5月13日07版