基于微流控芯片技术的天然产物活性成分筛选的研究

［摘要］　随着药物筛选技术的不断发展，新的筛选途径和技术不断涌现，使得药物筛选朝着快速、高效、高通量等方面不断发展。微流控分析技术具有的分析微型化、高通量化、可集成化和良好的生物相容性等特点，为天然产物活性成分的筛选提供了新的方法和技术平台，该文介绍了用于天然产物活性成分的多种筛选方法，重点综述了与细胞培养相结合的微流控芯片筛选技术及其特点，微流控芯片筛选技术平台的构成，以及其在天然产物活性成分筛选中的应用。

［关键词］　药物筛选技术；天然产物；微流控芯片；细胞培养；高通量；高内涵

微流控芯片分析技术可将样品预处理、反应、衍生、分离、检测等分析步骤微型化到一个芯片上，以流体和阵列多通道的形式缩短分析时间，在低耗样量的状态下提供一个进行细胞生理、生化分析的微环境，具有快速分析、信息量大、制作成本低等优点[12]，为大规模高通量药物筛选提供了绝佳的实验和检测技术平台，其优势在药物和天然产物活性成分的高通量高内涵筛选研究中尤为突出。

1　天然产物活性成分的筛选方法与技术

从天然产物中寻找活性成分，进行物质结构的分离和鉴定、有效成分筛选以及中药药理的建立，一直是天然产物研究领域所研究的热点问题。随着筛选方法的不断进步，已由传统的宏观水平的筛选逐步发展到细胞分子水平的筛选，同时，一些新的筛选技术如计算机辅助药物设计与虚拟筛选、药物基因组学等也获得逐步应用和实践。其中，基于药理、药效的活性成分筛选一直是研究的重点[34]。目前，用于天然产物活性成分筛选的方法主要是传统宏观水平的筛选以及细胞分子水平的高通量与高内涵筛选，基于微流控芯片技术的筛选方法也逐步被用于天然产物的研究。

1.1　宏观水平的筛选方法

进行天然药物及传统中药的快速筛选和药代动力学研究的最初方法是采用体外试验（如动物试验），这种方法虽然是比较安全有效的方法，但是由于动物的特殊性，决定了药物筛选过程主要依赖于手工操作，而且动物对药物的反应时间较长，只能对有限的样品进行筛选，使动物试验具有明显的局限性，效率低、成本高[5]。随着现代医学和药理学的发展，采用以动物的组织、器官为对象的药物筛选方法越来越多，如采用离体血管试验[6]、心脏灌流试验[7]、组织培养试验[8]等方法。这些筛选方法弥补了动物试验的劳动强度大、周期长、效率低等缺点，而且应用组织器官培养的筛选方法可以模拟体内药物与组织的相互作用，得到的结果客观有效。但是，用此方法进行药物筛选也存在明显的缺点，如对组织的培养有较高的要求（无菌条件等），筛选规模小、反应药物作用有限、用于筛选的药物有限等。

1.2　细胞水平和分子水平的筛选

近年来，分子生物学技术和细胞生物学技术的迅速发展，分子药理学研究也不断深入，新的药物作用靶点、功能蛋白质、基因表达的变化，为药物筛选提供了大量新的靶点，如新的受体、酶等[9]。这些新的靶点为新药筛选提供了新的信息和机会，使得基于细胞和分子水平的高通量、高内涵药物筛选方法大量涌现，并逐步成为研究者关注的热点技术。

高通量药物筛选所采用的主要是分子、细胞水平的实验方法[10]，以微孔板（如96孔板）为实验工具载体，以自动化的操作系统执行实验过程，使药物筛选由传统的手工筛选形式转变为由计算机控制的自动化大规模筛选的新技术体系，配以快速灵敏的检测仪器（如荧光检测等）采集实验数据，实现了药物筛选的规模化，通过使用计算机对获得的实验数据进行处理，可以同时对数以万计的样品进行检测，较大限度地利用了药用物质资源，提高了药物发现的概率，是目前应用较多，研究较成熟的技术[11]。高内涵药物筛选是针对高通量药物筛选结果单一的不足，从设计方法和技术层面进行提升，从而使筛选结果多样化的一种筛选技术手段[12]。

1.3　基于微流控分析系统的筛选

微流控芯片筛选技术以微流控芯片为载体，将样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到芯片上，通过在设计有不同功能的芯片上培养细胞，对细胞施加药物刺激，并配合自动化的检测装置，采集药物与细胞的相互作用的信号或采用荧光数码摄像系统，对数据进行采集分析，从而分析药物所具有的作用，进行筛选并得到筛选结果[1314]。该方法的优点在于通过对样品全分析过程的缩微化和集成化，可达到高灵敏的快速检测，高通量输出以及在线自动化操作且样品耗量低，非常适合天然产物活性成分的筛选。典型的实例是Chen等[15]设计了基于水凝胶的三维微流控芯片，该芯片具有细胞培养腔和浓度梯度产生装置，通过将肿瘤细胞封装在充满藻酸盐凝胶的三维微流控芯片中进行培养，测定不同浓度的阿霉素对肿瘤细胞生存状态和增殖量的影响，结果证明该芯片成功的培养了肿瘤细胞，并筛选出了阿霉素对肿瘤细胞的最佳抑制浓度，显示出其在抗癌药物的筛选方面具有可行性。

微流控芯片筛选技术较以往的筛选技术体现出较大的优势，但是仍处于发展阶段，还有大量需要解决的技术难题，如常用的荧光蛋白灵敏度尚需提高。可以预见，随着显微荧光标记、数码影像分析、图像数据处理技术的快速发展以及在药物筛选检测方面的广泛应用，使以高通量方式对细胞的多个生理环节同时进行检测成为可能，也会弥补微流控芯片筛选技术现有的不足，有力推动其发展并得到广泛应用，成为现代药物筛选技术发展的方向。

2　天然产物活性成分的微流控芯片分析系统筛选技术

2.1　微流控芯片分析系统药物筛选的技术平台

微流控芯片分析系统药物筛选的技术平台主要包括芯片的设计[16]、试样引入及驱动系统[2]、芯片上细胞培养技术和高效在线检测技术[18]。微流控芯片是微流控芯片筛选技术实现的载体，采用MEMS的设计技术和加工方法，可以有效地将微通道、微反应室和其他功能单元集成到一块微流控芯片上，配合微流控芯片上的微流体控制技术、细胞培养技术及在线检测技术，通过模拟体内环境，分析药物与细胞的相互作用，从而达到筛选的目的。

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