高通量微纳液滴生成技术及在数字PCR中的应用

Early diagnosis of major diseases is one of the current major social needs. In conventional methods, it’s difficult to detect trace amounts of biomarkers. However, digital PCR technique can detect low-abundance biomarkers in complex background, which is an effective solution for early diagnosis. High-throughput and uniform micro/nano droplets can ensure a high performance of digital PCR system. In conventional microfluidic structures (which is difficult to be integrated), shearing force is used to generate droplets. This project intends to get rid of shearing force, develop a new and easy-integrated droplet spontaneously generation (DSG) structure. Meanwhile, by study the mechanism of the DSG structure, and remove the coupling relations during integration, we will achieve a high-throughput micro/nano droplet generation technology. As a demonstration, we intend to apply this technique to digital PCR assay. To detect the mutant EGFR gene in the early lung cancer, we plan to design an integrated digital PCR chip, which includes the sample dispersion, PCR amplification and detection steps, to achieve a rapid quantitative detection. After this project, we will achieve high-throughput and uniform micro/nano droplets, which is expected to solve the low-throughput bottleneck in droplet-based microfluidics.

重大疾病的早期诊断是我国当前的重大社会需求之一。常规的检测方法通常难以检测出病人血液中微量的标志物；数字PCR技术可在复杂背景下检测出低丰度的标志物，是重大疾病早期诊断的有效解决方案。数字PCR系统中，高通量（短时间内产生巨量）、尺寸均一的微单元是其性能的保障。在液滴微流控的传统结构中，分散相被连续相切割成一个个微液滴，由于需依靠稳定的剪切力，因而难以通过并行化实现高通量。本项目拟摆脱剪切力的束缚，发展一种新型、易于集成的液滴自发产生结构，并通过研究该结构中液滴产生的机理，探索去除并行化过程中耦合关系的方法，实现高通量微纳液滴生成技术。在此基础上，针对早期肺癌病人血液中的EGFR基因突变体，设计一款集成样品分散、扩增以及检测等步骤的数字PCR芯片，实现核酸突变体的快速定量检测。通过本项目的开展，将实现高通量，均一的微纳液滴，此项工作可望解决液滴微流控技术中通量低的技术瓶颈。

重大疾病的早期诊断是我国当前的重大社会需求之一。数字PCR技术可在复杂背景下检测出低丰度的标志物，是重大疾病早期诊断的有效解决方案。然而，在数字PCR系统中，高通量、尺寸均一的微单元是其性能的保障。在本项目中，我们提出了一种液滴自发生成的新型结构（DSG结构），通过机理研究证实此项结构具有结构简单、易集成等优点（此项结构已经获得了一项国际专利）。随后，我们通过并行化集成该DSG结构，发展了高通量液滴生成技术，并实现了MHz的液滴生成通量。此项技术可望解决液滴微流控技术中通量低的技术瓶颈。为了验证上述高通量液滴生成技术的性能，我们在项目支持下开发了具有自主知识产权的集液滴高通量生成、PCR扩增与结果读出为一体的数字PCR芯片。此项研究成果已获得了北京精准医疗公司的风险投资（初期投资1000万元）。在项目进一步的开展过程中，我们通过工业化注塑工艺，实现了一体式数字PCR芯片的批量化生产。同时，也开发了与一体式数字PCR芯片相配套的样本制备系统及结果扫描分析系统（两项医疗器械注册证申报中）。116例的临床测试证实了高通量液滴生成技术的有效性，以及数字PCR芯片及系统可实现EGFR突变的快速、定量检测。这些工作为我们推进高通量、一体化数字PCR检测技术奠定了坚实的技术基础。