在与奥地利维也纳技术大学（TU Wien）的细胞芯片研究团队负责人、教授Peter Ertl博士的交谈中，我了解到了他在芯片实验室技术方面获得的一些颇为有趣的成果。这些小型独立设备可用于从抗癌药物毒性到血脑屏障渗透性等各个方面的研究。现在，这项技术正被用于开发一种新冠病毒（COVID-19）诊断测试，该测试有可能在短短几分钟内迅速提供准确的结果。
Ertl博士认为，目前的新冠病毒诊断方法未能在检测速度、灵敏度和可靠性上实现理想的结合，而兼顾这三方面正是妥善解决当前新冠疫情所需要的。“一方面，PCR可以对所有病毒进行检测，但它不可扩展，通常需要长达24小时才能得到结果。而该结果只在几天内切实有效—这意味着您不能依靠该结果去参加长期活动，如会议。目前的一些替代解决方案，如侧流和抗原检测，敏感度根本不够。这类检测对体内病毒载量较高的有症状感染者可能效果较好，但是对无症状感染者的检测也是同样重要的，这些人可能在不知不觉中传播疾病。”
使用具有数据流功能的生物芯片开发可靠高效的新冠病毒诊断工具
为了直面这些问题，Ertl博士和他的团队开发了一项生物芯片技术，据他们称，该技术可以在短短几分钟内可靠地检测最少3–5个病毒颗粒，同时排除假阴性反应。因此，无症状感染者可以得到明确的诊断，使他们能够进行自我隔离以遏制新冠病毒的传播。
该生物芯片设计有自带的电源、显示单元和无线数据传输能力（图1）。可以直接将结果立即传送至必要的流行病学中心。这种简化的数据收集方式对报告准确的病例数和疫情爆发情况有很大的帮助。
图1.说明新冠病毒生物芯片的工作原理。该生物芯片技术使用固定在微流控室上的抗体菌苔。这些抗体与样品中存在的任何目标病毒结合，在本例中是引发新冠肺炎的SARS-CoV 2病毒。随后，一个纳米金标记二抗与上述结合的病毒颗粒结合。在这个阶段加入银溶液，银与金发生反应，产生导电的纳米桥。反过来，电流可以流过并激活LED，甚至链接到内置的通信设备上，以无线方式传输数据。
奥林巴斯IXplore Live细胞成像平台在验证新冠病毒生物芯片测试中的作用
该技术的正常工作取决于抗体的质量以及它们在微流控室表面的固定程度以及中断的电导线之间的间距。为了进一步优化，Ertl博士和细胞芯片研究团队测试了不同的固定化策略。使用奥林巴斯IXplore Live显微镜系统和荧光标记二抗，能够评估关键参数—包括抗体密度、方向和排列，这对生物芯片的成功至关重要（见图2）。
图2.使用奥林巴斯IXplore Live显微镜和荧光标记二抗，在4倍放大率下确定玻璃基板上山羊-大鼠IgG抗体的固定化密度。图片显示，抗体浓度水平的递减（从左到右）与荧光强度水平的递减一致。
Ertl博士解释说：“IXplore Live系统对增强芯片的开发非常有用，该系统恰好满足了我们实验室在图像分辨率和价格方面的需求。除了用于新冠病毒检测以外，该系统一直被用于我们的器官芯片项目，已经成为我们实验室真正的主力军。特别是其出色的分辨率、低氧培养腔以及将系统升级到共聚焦成像的能力，对我们的研究非常有帮助。”
在其他疾病（包括癌症和帕金森病）上的应用
除了病毒诊断平台，生物芯片技术还被用于各种令人意想不到的应用。在Ertl博士的实验室，他们正在研究先进的微流控细胞培养系统，可以复制组织和器官的复杂三维结构，被称为器官或组织芯片设备。这些生物芯片不仅被用作生物模型来研究组织的结构和功能，而且还能让人们了解癌症、自身免疫和神经退行性疾病等的患病及进展。
图3.由TU Wein的研究团队使用奥林巴斯IXplore Live显微镜拍摄的图像。图像从左到右为（1）用四甲基罗丹明异硫氰酸酯-葡聚糖染色的人脐静脉内皮细胞永生化-绿色荧光蛋白标记（20倍放大率）（2）人脐静脉内皮细胞永生化-绿色荧光蛋白标记（4倍放大率）（3）纤维状肌动蛋白和血管内皮钙粘蛋白-DAPI标记（20倍放大率）。14
Ertl博士解释说，IXplore Live显微镜已经成为器官芯片研究的一项重要工具。高分辨率对于验证三维细胞集团至关重要，可以确保结构将实际的人体组织结构模拟出来。例如，TU Wien的团队会使用IXplore Live显微镜在芯片平台上跟踪淋巴/血液界面的进展，以及利用集成传感器跟踪帕金森病的发展。在后一个项目中，IXplore Live显微镜一直是研究神经突增生和钙离子成像的核心。研究团队希望由此建立一个个性化的人中脑模型，推动我们对帕金森病在神经发育方面的理解。
此外，该团队指出，他们实验室的一项关键成就是将IXplore Live显微镜与低氧培养腔结合起来，这种方式涉及到了几乎所有微流控设备的开发。Ertl博士的研究小组成员Sarah Spitz说：“我们主要使用低氧培养腔来研究制造微流控设备所需的各种材料的透氧性。透氧性是一个重要的参数，它影响着细胞生长所需的氧气供应。利用这种设置和芯片内集成的氧传感器，我们可以非常容易地确定这些特征属性。"
生物芯片技术在新冠病毒检测之外的潜力
在生物芯片上进行病毒检测不仅提供了一种可以监测当前新冠疫情的快速、可靠的工具，对该平台的投资也可能会在诊断其他疾病方面取得成果。由于自带电源且便于携带，该技术可用于偏远地区或疫苗储存有难度的地区，如巴基斯坦的乙肝病毒和非洲的埃博拉病毒。同样，器官芯片技术的未来充满潜力，有望在许多疾病的治疗方面取得令人振奋的发展。至于新冠病毒测试，Ertl教授说，他们希望在未来几个月内开发出第一个工业原型。
