发布时间：2021-06-08 热度：

　　著名学术期刊《Microsystems&Nanoengineering》（“微系统与纳米工程”）就发表了一项弗吉尼亚理工大学化学和生物系统工程系的研究成果——一个集成的微流体治疗芯片Therapeutics-on-a-Chip（简称TOC）。

　　它的特殊之处在于，能够经济且高效地将治疗性蛋白质完成合成及纯化。而这对于解决相关药品的全球运输问题，尤其是对于偏远贫困地区的患者来说，有着极为重要的现实意义。

　　治疗性蛋白质药物的普惠难题

　　大多数人都知道，人体会制造许多蛋白质来维持生命与健康。其中有一类蛋白质，输送到体内可能会对某些疾病起到有益的影响，它们都可以被成为“治疗性蛋白质”。

　　比如胰岛素能够调节血糖，一些天然血液因子能够帮助伤口凝结，阻止失血，还有一些蛋白质是“信号兵”，能够促进特定类型细胞的生长，免疫蛋白质则能够帮助杀死身体的入侵者。血友病、癌症、囊囊性纤维化、心脏病等一系列疑难杂症，都可以通过蛋白质治疗药物得到控制。

　　而随着基因工程的发展，以治疗性蛋白质为基础的药物已经告别了依赖人体产生这一自然渠道。通过细胞培养，单个细胞就可以含有所需要的人类基因。然后将治疗蛋白放进容器中，以注射等方式接触人、动物或微生物，就能发挥相应的作用。

　　目前，治疗性蛋白质药物已经占到了药物市场的极大比例，并且随着新蛋白质的发现而日益增长。与此同时，治疗蛋白的大范围普及也存在一些长期性的挑战。

　　大多数治疗蛋白都是经由重组酵母、动物细胞等方式培养出来的，经过大规模生产之后，它们会从集中式生产厂家经过封装再分销到全球。

　　然而，这些合成治疗蛋白的半衰期往往是有明确限制的，对运输过程中的冷链、设备都有着一定的要求。对于非洲、东南亚等偏远地区的患者和护理点来说，想要引进和长期储存大规模的治疗药品十分困难，这就使其很难帮助更多的人。

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　　改善终端的医疗条件并非一朝一夕能够完成的，所以，不少研究人员就把主意打到了治疗蛋白的“包装”身上。

　　最近弗吉尼亚理工大学化学与生物系统工程系的Travis W.Murphy墨菲教授和他的同事共同开发了一种芯片治疗系统（TOC），在上面可以利用无细胞蛋白质合成（CFPS）工艺完成对治疗蛋白的即时合成与纯化。因此，药物可以在相对宽泛的温度条件下储存，同时冻干的有效物质还能够保持稳定。

　　实验显示，墨菲等人通过TOC成功合成并纯化了天蚕素B——一种广泛用于控制生物膜疾病的抗菌肽。在六个小时内，天蚕素B的浓度为63 ng/μL，纯度为92％，并且具有非常不错的抗菌性能。

　　在CFPS反应器准备开始生产治疗蛋白的前期设计阶段，科研人员制作了一个蛇形通道微流控芯片。这个微流体被连接到注射泵上，细胞裂解物、反应缓冲剂和DNA模板分别通过130cm的蛇形通道，以0.15μL/min的流速在其中停留1.5个小时。

　　然后，科学家使用加热反应器和COMSOL Multiphysics软件对这一组合流进行建模。这一步骤的作用是验证设备的机制是否正常，来保证最佳的扩散混合和反应。

　　设计完成，接下来，系统就开始生产大量的治疗蛋白质了。

　　到了第二阶段，则需要利用微流体装置对合成的治疗蛋白进行纯化。

　　墨菲等人对治疗蛋白质纯化的工作流程：吸附——洗涤——洗脱进行了优化，设计了一种微流体装置，通过电磁阀操纵该装置来控制单个微机械阀和相关的振荡压力脉冲。

　　这一发明将产品纯度提高到了98.5%，产品收率到了54.6%，远高于其他方法。

　　纯化实验成功之后，科研人员又接着开发了一个集成的微流体平台，即TOC。它可以让治疗蛋白的合成与纯化（CFPS+P）都实现自动化工作。

　　人们将连续流动反应器和批量纯化装置结合在一起，并借助管储器将两个过程结合在一起。在纯化之前，管储器会将连续流动反应器（那个蛇形通道）所生产的蛋白质储存在芯片上，从而让不同流程能够在一个便携装置内更好的兼容。

　　国科质检提醒这一整套操作微流体系统的装置只有公文包大小，已经是高度便携的治疗蛋白生产系统了。同时，也表现出了非常好的活性和抗菌能力。

　　这样既把治疗蛋白的生产变得简单高效经济，又能最小程度地减少试样和试剂，研发和生产速度也能十倍上百倍的提高，对于治疗蛋白的大范围推广，尤其是让老少边穷地区用上有保障的药品，起到了非常重要的助推作用。