CN112934282A - 一种自反馈式高通量微流控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自反馈式高通量微流控系统及方法，包括：微流控芯片、多通道微流体控制模块、自动成像模块、分析控制系统；分析控制系统，用于：控制自动成像模块对微流控芯片中培养的生物组织或细胞样本进行拍摄，获取生物图像，对生物图像进行实时分析，得到实验结果，并将实验结果反馈至多通道微流体控制模块；多通道微流体控制模块根据实验结果对微流控芯片中的实验参数进行调整。本发明结合了微流控技术、自动显微成像技术、自动图像分析和数据处理技术的优势，通过集成实现全自动自反馈高通量显微成像，可以应用于基于活细胞和生物组织的高通量药物筛选等复杂生物医药实验，准确性高，更加便捷。

Description

一种自反馈式高通量微流控系统及方法

技术领域

本发明涉及生物样本培养技术领域，特别涉及一种自反馈式高通量微流控系统及方法。

背景技术

药物筛选是新药研发的关键步骤，创新药物的发现需要采用适当的药物作用靶点对大量化合物样品进行筛选，在临床前实验阶段，需要对药物的安全性和有效性进行分析、检测，在一过程中涉及数以千计的样本，考量包括药物浓度、递送方式、生物微环境、细胞种类等条件因素。目前，临床抗肿瘤最有效的联合疗法，则需要筛选万甚至十万量级的药物组合方案。现有技术中采用人工的方式对药物条件下的生物样本进行逐一检测，工作枯燥，步骤单一，筛选结果容易产生人工误差，且耗时长，造成药物研发成本大幅度提高和延误治疗等严重问题。

全自动化操作系统代替人工操作显然有诸多优势，其利用计算机通过操作软件控制整个实验过程，操作简单，单人短时间内可完成传统实验检测手段数月的工作量，筛选结果真实可靠，而且可以同时在多个样本中筛选多种药物，实现较高的通量。当前，实现全自动化生物医药实验且具备活细胞和生物组织培养能力的技术手段主要有全自动机器人(如，镁伽MegaLab生物安全机器人)和阀控微流控技术。相对于生物安全机器人昂贵的价格、庞大的体积和及其复杂的操作程序，阀控微流控技术基于微流控芯片实现，具有微型、高效、高通量、自动化和制造成本低等优势，可以自动完成细胞的接种、培养液的更换或添加、药物的加入与清洗、细胞染色试剂的添加等操作。而且，微流控芯片消耗的生物样品和药品量都极低，达到纳升级别，可以大大节省实验成本。

目前基于微流控技术的高通量筛选主要有三大类：1.基于液滴模式的微流控的筛选系统。该系统利用互不相溶的两相包裹细胞的液滴，在液滴中完成细胞的培养和对细胞的药物刺激等操作。例如：Wong等设计的一种PDMS通道芯片，用于形成细胞液滴进行药物筛选(Wong AH,et al.Sci Rep,2017,7,9109)。何凤屏等人提出的一种微流控芯片检测外泌体GPC1蛋白的方法及其在胰腺癌早期诊断中的应用(CN 111208297 A)。这类系统可以在短时间内形成大量细胞液滴，提高实验的通量，并可有效降低试剂的消耗量。但该类系统无法对培养细胞的营养物质进行更新。2.基于微阵列模式的微流控细胞筛选系统。该类系统在细胞培养的载体上，通过一定的手段生成细胞液滴阵列，并对细胞液滴阵列进行操控和分析。例如，Lee等人构建的一种名为水凝胶液滴阵列的微阵列芯片系统，将其应用于高通量药物筛选实验中(Lee M,et al.PNAS,2008,105,59)。刘啸虎等人提出的一种光谱生物传感装置(CN 112067585 A)。该类型的系统通常较为复杂，同时这些操作的实现还要依赖于高精度且配套的液体操控设备。3.基于灌注流模式的微流控细胞筛选系统。该类系统通过控制流体连续流过微通道，将细胞接种在微通道中的培养腔室，并完成对细胞的药物刺激。例如：Wang等设计了一种基于灌注流模式的微流控芯片，用于正交化的药物筛选(Wang Z,etal.Lab Chip,2007,7,740)。杨金易等人提出一种微流控芯片免疫检测试剂盒及其检测方法(CN 111077319 A)。

但是，在目前，大多数基于微流控技术的高通量筛选系统还难以在超微量和高通量水平下完成培养、加药、检测、分析等全过程操作的自动化，难以自动实现大规模具有不同组成和浓度药物的加入和刺激，难以自动实现筛选结果的快速高通量检测。

发明内容

本发明旨在至少一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种自反馈式高通量微流控系统及方法，本发明将微流控技术、自动显微成像技术、实时数据分析和反馈技术相结合，实现高通量细胞和生物组织培养；可控的药物配比(包括多药组分混合，药物稀释等)；对细胞和生物组织对药物的应激反应进行实时检测、分析；将实验结果进行反馈，从而实时调整实验条件，构建动态的药物环境，明显提高药物筛选的效率和准确性。

为达到上述目的，本发明提出了一种自反馈式高通量微流控系统，包括：微流控芯片、多通道微流体控制模块、自动成像模块、分析控制系统；其中，

所述多通道微流体控制模块，与所述微流控芯片连接；

所述分析控制系统，分别与所述多通道微流体控制模块、所述自动成像模块连接，用于：

控制所述自动成像模块对所述微流控芯片中培养的生物组织或细胞样本进行拍摄，获取生物图像，对所述生物图像进行实时分析，得到实验结果，并将所述实验结果反馈至所述多通道微流体控制模块；

所述多通道微流体控制模块根据所述实验结果对所述微流控芯片中的实验参数进行调整。

根据本发明的一些实施例，所述多通道微流体控制模块包括：电磁阀、出液微管线、USB串口接口、气线接口、电源接口、控制卡、导线、供气线、储液管、导气轨、储液管架；其中，

所述USB串口接口的一端与所述分析控制系统连接，另一端与所述控制卡连接；

所述电源接口的一端与所述市电连接，另一端与所述控制卡连接；

所述气线接口的一端与所述空气压缩机或压缩气瓶连接，另一端与所述控制卡连接；

所述导线，设置在所述控制卡与所述电磁阀之间；

所述供气线，用于将所述电磁阀的出气孔与所述储液管连接；

所述储液管，设置在所述储液管架上；所述储液管中存储有目标液体；

所述出液微管线的一端伸入所述储液管中，另一端与所述微流控芯片连接；

所述电磁阀，设置在所述导气轨的气路上；

所述控制卡，分别与所述USB串口接口、电源接口、气线接口；电磁阀连接，用于：

接收所述USB串口接口发送的所述分析控制系统获取所述实验结果；

基于所述电源接口获取电源；

基于所述气线接口获取目标气体,并将所述目标气体通过导气轨的进气孔使目标气体进入所述导气轨；

控制所述电磁阀的开关，来控制气路的通断。

根据本发明的一些实施例，所述储液管包括：管身、外螺旋鲁尔头、管盖；其中，

所述出液微管线通过设置在所述管身上的圆孔伸入所述储液管，并与所述储液管的底部接触；

所述外螺旋鲁尔头穿过所述管盖上部的一端通过所述供气线与所述电磁阀的出气孔连接。

根据本发明的一些实施例，所述微流控芯片包括：进液口、微流通道、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、培养腔、第四控制阀、出液口；其中，

所述进液口，设置在所述微流通道的第一端部；

所述微流通道上依次设置有所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀及第四控制阀；

所述培养腔设置在所述第三控制阀与所述第四控制阀之间；所述培养腔中培养有经荧光标记的生物组织或细胞样本；

所述出液口，设置在所述微流通道的第二端部。

根据本发明的一些实施例，所述自动成像模块包括激发光源及成像器件；

所述激发光源包括激光器件及激发光路，所述激光器件通过所述激发光路发射激光的波长同经荧光标记的生物组织或细胞样本的激发波长相匹配，光源光斑覆盖每个独立的培养腔；

所述成像器件包括用于采集生物图像的CCD相机及用于采集生物图像所附带的光路，所述生物图像为荧光图像。

根据本发明的一些实施例，所述空气压缩机或压缩气瓶通过气线接口输入目标气体的气压范围为20psi-50psi；

所述微流控芯片中液体的流速范围为0.1mm/s-1mm/s。

根据本发明的一些实施例，所述储液管的管身的材质为塑料，参数为5-15ml；所述设置在管身上的圆孔的直径为1.5mm；所述管盖的直径为22mm，所述管盖的中心设置有3.5mm的圆孔，直径为3.2mm的外螺旋鲁尔头的头部由内至外伸出，穿过所述3.5mm的圆孔，并将所述外螺旋鲁尔头从所述管盖的内部用防水抗压胶固定；所述供气线的长度范围为20cn-30cm。

根据本发明的一些实施例，所述微流控芯片包括56个培养腔，所述培养腔的参数为长400μm×宽400μm×高150μm；所述微流通道的参数为宽100μm×高25μm；所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀及第四控制阀的参数为长100μm×宽100μm；所述微流控芯片包括22个进液口。

根据本发明的一些实施例，所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀根据预设控制逻辑进行阀门的开关，驱动液体进入培养腔；在所述第四控制阀打开时，培养腔中的液体经所述第四控制阀通过出液口流出。

根据本发明的一些实施例，基于上述自反馈式高通量微流控系统进行自反馈式高通量药物筛选的方法，包括：

步骤一，依次打开外部计算机电源，开启自动成像模块的电源，将电源接口插头接入多通道微流体控制模块的电源接口中，使用USB串口接口分别将控制卡与外部计算机相连；

步骤二，高通量药物筛选平台准备，将微流控芯片的进液口与多通道微流体控制模块的出液微管线相连，通过连接外部计算机中的控制系统打开和关闭电磁阀来对微流控芯片的加压，实现对微流控芯片中液体输运的控制；

步骤三，分析控制系统初始化，即在安装有分析控制系统的外部计算机上，启动分析控制软件，连接自动成像模块和多通道微流体控制模块的控制卡，连接成功后，分析控制软件将自动进行自动成像模块和控制卡的硬件初始化；

步骤四，载入生物组织或细胞样本；将载有生物组织或细胞样本的液体通过微流通道导入到培养腔中；载入方式可以采用逐个打开培养腔导入的方式，可以打开整列培养腔一次性导入；

步骤五，药物输入控制，将多种待筛选的药物、清洗溶液加压导入微流控芯片中，通过控制药物液体接口下方的蠕动泵以不同频率循环开关使输入药物以不同的配比混合或者进行浓度稀释，并导入到指定的培养腔中；

步骤六，在分析控制软件中，设置自动成像模块进行多点位追踪拍摄，观察位于培养腔中的测试生物样本的动态变化；

步骤七，在分析控制系统中设定测试对象通过药物刺激后的目标状态参数，设定添加药物的序列、浓度，辅助药物的序列、浓度，启动分析控制软件开始无人值守式药物筛选过程，进行定时比对和全自动药物添加；所述目标参数包括细胞数量、生物组织尺寸、荧光强度；

步骤八，通过实时比对，分析控制系统自动选择药物序列中的目标药物和辅助药物，组合出各种药物浓度刺激测试对象，待符合设定值及特定时间时，筛选结束并输出达到目标时使用的药物序列、各自浓度、作用时间，以及输出药物筛选时生物组织或细胞样本的最终表现结果。

有益效果：

(1)自反馈高通量微流控系统通过分析控制系统控制多通道微流体控制模块对微流控芯片的液体输运进行纳升精度的操控，同时通过自动成像模块获得生物样本的生物图像，通过实时分析生物图像获得药物条件下的细胞和生物组织发展趋势，并将实验结果反馈到多通道微流体控制模块，从而实时调整微流控芯片培养腔中的药物条件，实现动态可调整药物筛选；

(2)自反馈高通量微流控系统在微流控芯片中培养活细胞和生物组织，通过实时观测活细胞形态行为，对生物样本进行荧光标记，监控活细胞信号通路动态进程和蛋白质分子动态分布，相比较于现有的基于分子结构的筛选系统，本系统所获得的实验结果更能够反应药物分子在复杂生命系统中的有效性，可更快更准确获得符合临床应用需求的药物筛选结果；

(3)自反馈高通量微流控系统将分析控制系统、多通道微流体控制模块、微流控芯片、自动成像模块集成为自动化一体系统，克服现有药物筛选技术独立、人工参与程度高、耗时长、易导致较大的系统误差等不足。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种自反馈式高通量微流控系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的微流控芯片的连接示意图；

图3是根据本发明一个实施例的微流控芯片中不同颜色的食物颜料演示不同的药物环境条件的示意图。

附图标记：

1-分析控制系统；2-多通道微流体控制模块；201-电磁阀；202-出液微管线；203-USB串口接口；204-气线接口；205-电源接口；206-控制卡；207-导线；208-出气孔；209-进气孔；210-供气线；211-储液管；212-管身；213-外螺旋鲁尔头；214-管盖；215-导气轨，216-储液管架；3-微流控芯片；4-自动成像模块；301-进液口；302-微流通道；303-第一控制阀；304-第二控制阀；305-第三控制阀；306-培养腔；307-第四控制阀；308-出液口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提出了一种自反馈式高通量微流控系统，包括：微流控芯片3、多通道微流体控制模块2、自动成像模块4、分析控制系统1；其中，

所述多通道微流体控制模块2，与所述微流控芯片3连接；

所述分析控制系统1，分别与所述多通道微流体控制模块2、所述自动成像模块4连接，用于：

控制所述自动成像模块4对所述微流控芯片3中培养的生物组织或细胞样本进行拍摄，获取生物图像，对所述生物图像进行实时分析，得到实验结果，并将所述实验结果反馈至所述多通道微流体控制模块2；

所述多通道微流体控制模块2根据所述实验结果对所述微流控芯片3中的实验参数进行调整。

上述技术方案的工作原理：分析控制系统1为安装相关软件的外部计算机(PC机)，其包含有相关的成像软件、相关控制软件及相关分析软件。分析控制系统1与多通道微流体控制模块2、自动成像模块4分别相连，通过控制多通道微流体控制模块2快实现对微流控芯片3内的液体输运的控制，控制自动成像模块4采集图像信号，即控制所述自动成像模块4对所述微流控芯片3中培养的生物组织或细胞样本进行拍摄，获取生物图像，对生物图像实时分析获取实验结果，并将实验结果反馈到多通道微流体控制模块2，进而调整微流控芯片3中的实验条件。微流控芯片3同多通道微流体控制模块2相连，可实现高通量的细胞及组织培养，可实现在多通道微流体控制下的进换液。自动成像模块4同分析控制系统1相连，受分析控制系统1的控制，在指定位置(定位培养腔306和液体输入端口)，进行定时定点成像，并将所获取的生物图像传递给分析控制系统1。

上述技术方案的有益效果：将微流控技术、自动显微成像技术、实时数据分析和反馈技术相结合，实现高通量细胞和生物组织培养；可控的药物配比(包括多药组分混合，药物稀释等)；对细胞和生物组织对药物的应激反应进行实时检测、分析；将实验结果进行反馈，从而实时调整实验条件，构建动态的药物环境，明显提高药物筛选的效率和准确性。

根据本发明的一些实施例，所述多通道微流体控制模块2包括：电磁阀201、出液微管线202、USB串口接口203、气线接口204、电源接口205、控制卡206、导线207、供气线210、储液管211、导气轨215、储液管架216；其中，

所述USB串口接口203的一端与所述分析控制系统1连接，另一端与所述控制卡206连接；

所述电源接口205的一端与所述市电连接，另一端与所述控制卡206连接；

所述气线接口204的一端与所述空气压缩机或压缩气瓶连接，另一端与所述控制卡206连接；

所述导线207，设置在所述控制卡206与所述电磁阀201之间；

所述供气线210，用于将所述电磁阀201的出气孔208与所述储液管211连接；

所述储液管211，设置在所述储液管架216上；所述储液管211中存储有目标液体；

所述出液微管线202的一端伸入所述储液管211中，另一端与所述微流控芯片3连接；

所述电磁阀201，设置在所述导气轨215的气路上；

所述控制卡206，分别与所述USB串口接口203、电源接口205、气线接口204；电磁阀201连接，用于：

接收所述USB串口接口203发送的所述分析控制系统1获取所述实验结果；

基于所述电源接口205获取电源；

基于所述气线接口204获取目标气体,并将所述目标气体通过导气轨215的进气孔209使目标气体进入所述导气轨215；

控制所述电磁阀201的开关，来控制气路的通断。

上述技术方案的工作原理：USB串口接口203、气线接口204、电源接口205、电磁阀201均与控制卡206相链接。控制卡206与分析控制系统1相连，接收分析控制系统1的信号，包括实验结果，并受分析控制系统1控制；控制卡206通过USB串口接口203同分析控制系统1连接，通过电源接口205同市电链接，通过气线接口204同空气压缩机或压缩气瓶连接。控制卡206通过导线207同电磁阀201相连；通过导气轨215的进气孔209将目标气体接入导气轨215，如图1所示，可以将进气分为8路出气，每路接一个电磁阀201进行控制；电磁阀201通过电磁阀201的出气孔208将目标气体输出，用供气线210接入储液管211。控制卡206控制电磁阀201对气路的开关，电磁阀201的开关信号由控制卡206提供，即给电导通，断电关闭。电磁阀201的进出气孔208与导气轨215上的出气孔208吻合。控制卡206通过USB串口接口203通讯接收分析控制系统1的信号。电磁阀201的导通关闭通过USB串口接口203通讯控制。通过分析控制系统1的软件可控制每个电磁阀201的开关。电磁阀201可通过气体开关控制储液管211内液体的输出。储液管211的管身212为塑料管，管身212内存储有待注入微流控芯片3的液体。储液管211的管身212上有一圆孔，液微管线从圆孔穿入并接触至储液管211管底。当封闭的管身212内压力变大时，液体会顺着出液微管线202流出。储液管211的管盖214同管身212配套形成储液管211的气密环境。管盖214上有外螺旋鲁尔头213，外螺旋鲁尔头213伸出管盖214的头部通过供气线210同电磁阀201对应的出气孔208连接，电磁阀201可通过控制气路开关控制储液管211的压力，进而控制储液管211内液体经出液微管线202的流出。储液管211组合完成后放置于储液管架216上，平稳便携。多通道微流体控制模块2的控制过程为：控制卡206通过USB串口接口203接受分析控制系统1的控制信号；控制卡206通过导线207控制电磁阀201的开关；电磁阀201通过控制气路开关控制储液管211的压力，进而控制储液管211内液体经出液微管线202的流出。出液微管线202与微流控芯片3连接，出液微管线202输出的液体经进液口301进入微流控芯片3。电源接口205为DC电源插头。因控制卡206的控制，由气体压力驱动液体使微流控芯片3内的控制阀通道产生空间形变，进而实现对微流控芯片3中的流体层微通道开关的控制。

上述技术方案的有益效果：实现将存储在储液管211中的液体智能输入微流控芯片3，智能化控制进入储液管211的气压，进而控制液体的流速。

根据本发明的一些实施例，所述储液管211包括：管身212、外螺旋鲁尔头213、管盖214；其中，

所述出液微管线202通过设置在所述管身212上的圆孔伸入所述储液管211，并与所述储液管211的底部接触；

所述外螺旋鲁尔头213穿过所述管盖214上部的一端通过所述供气线210与所述电磁阀201的出气孔208连接。

根据本发明的一些实施例，所述微流控芯片3包括：进液口301、微流通道302、第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305、培养腔306、第四控制阀307、出液口308；其中，

所述进液口301，设置在所述微流通道302的第一端部；

所述微流通道302上依次设置有所述第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305及第四控制阀307；

所述培养腔306设置在所述第三控制阀305与所述第四控制阀307之间；所述培养腔306中培养有经荧光标记的生物组织或细胞样本；

所述出液口308，设置在所述微流通道302的第二端部。

多通道微流体控制模块2经出液微管线202输出的液体经进液口301进入微流控芯片3；所述液体为含有不同浓度及不同成分的药物；在第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305及第四控制阀307均打开时，注入的液体经微流通道302流入培养腔306作用于培养的生物样本。微流控芯片3的进液端受第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305构成的一个液体驱动泵(蠕动泵)控制，第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305通过(100，110，010，011，001)的控制逻辑顺序控制微阀开关，驱动液体流动，其中1表示控制阀打开，液体可以流入，0表示控制阀关闭，液体不能流入。微流控芯片3的出液端受第四控制阀307控制，在第四控制阀307打开时，液体可经第四控制阀307通过出液口308流出。

根据本发明的一些实施例，所述自动成像模块4包括激发光源及成像器件；

所述激发光源包括激光器件及激发光路，所述激光器件通过所述激发光路发射激光的波长同经荧光标记的生物组织或细胞样本的激发波长相匹配，光源光斑覆盖每个独立的培养腔306；

所述成像器件包括用于采集生物图像的CCD(电荷耦合器件)相机及用于采集生物图像所附带的光路，所述生物图像为荧光图像。

上述技术方案的有益效果：提高了获取的生物图像的准确性，便于提高对生物图像分析的准确性，进而获取调整为更加合适的实验条件。

根据本发明的一些实施例，所述空气压缩机或压缩气瓶通过气线接口204输入目标气体的气压范围为20psi-50psi；

所述微流控芯片3中液体的流速范围为0.1mm/s-1mm/s。

上述技术方案的工作原理及有益效果：目标气体可以为空气或氮气等安全气体，用于调节储液管211中的气压，进而实现微流控芯片3中的可控流速流量的液体输运。提高对液体流速及流量控制的精确性，同时也保证培养腔306中对液体的有效吸收，提高对生物样本的培育效率。

根据本发明的一些实施例，所述储液管211的管身212的材质为塑料，参数为5-15ml；所述设置在管身212上的圆孔的直径为1.5mm；所述管盖214的直径为22mm，所述管盖214的中心设置有3.5mm的圆孔，直径为3.2mm的外螺旋鲁尔头213的头部由内至外伸出，穿过所述3.5mm的圆孔，并将所述外螺旋鲁尔头213从所述管盖214的内部用防水抗压胶固定；所述供气线210的长度范围为20cn-30cm。

根据本发明的一些实施例，所述微流控芯片3包括56个培养腔306，所述培养腔306的参数为长400μm×宽400μm×高150μm；所述微流通道302的参数为宽100μm×高25μm；所述第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305及第四控制阀307的参数为长100μm×宽100μm；所述微流控芯片3包括22个进液口301。

所述微流控芯片3包含56个独立细胞和生物组织培养腔306，每个培养腔306由四个控制阀控制，可以培养组织、细胞样本，并维持独立可控的不同药物浓度和组合药物环境。培养腔30656个，可单独控制或串联控制的微流体腔，腔内培养有实验样本，培养腔306注入的培养基及含有相关药物的液体受多通道微流体控制装置控制。

培养腔306中有包括细胞系、原代细胞、类器官和生物组织微块等。在进行活细胞实验过程中，可通过明场显微成像观测细胞和细胞核形态行为，也可以通过活细胞染色剂(如，DNA荧光标记物DAPI，4',6-二脒基-2-苯基吲哚)对样本进行染色和荧光成像追踪。对类器官和生物组织的形态特征主要通过明场成像进行观测。对于胞内生物分子相互作用，采用活细胞免疫荧光染色或瞬转的方式进行标记染色后，利用荧光成像进行观测。

在储液管211中的液体为含有相关药物的液体，指不同的单一药物浓度，及不同的药物组合成分。药物混合、稀释均由控制阀控制液体流动在微流控芯片3中实施完成。

进液口301同多通道微流体控制模块2相链接，第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305及第四控制阀307均打开时，注入的液体受多通道微流体控制模块2控制。进液口301下方对应连接有微流通道302(宽100μm×高25μm)，第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305及第四控制阀307均打开，进液口301所注入的液体会顺着所述微流通道302流过培养腔306。

根据本发明的一些实施例，所述第一控制阀303、第二控制阀304、第三控制阀305根据预设控制逻辑进行阀门的开关，驱动液体进入培养腔306；在所述第四控制阀307打开时，培养腔306中的液体经所述第四控制阀307通过出液口308流出。

根据本发明的一些实施例，基于上述自反馈式高通量微流控系统进行自反馈式高通量药物筛选的方法，包括：

步骤一，依次打开外部计算机电源，开启自动成像模块4的电源，将电源接口205插头接入多通道微流体控制模块2的电源接口205中，使用USB串口接口203分别将控制卡206与外部计算机相连；

步骤二，高通量药物筛选平台准备，将微流控芯片3的进液口301与多通道微流体控制模块2的出液微管线202相连，通过连接外部计算机中的控制系统打开和关闭电磁阀201来对微流控芯片3的加压，实现对微流控芯片3中液体输运的控制；

步骤三，分析控制系统1初始化，即在安装有分析控制系统1的外部计算机上，启动分析控制软件，连接自动成像模块4和多通道微流体控制模块2的控制卡206，连接成功后，分析控制软件将自动进行自动成像模块4和控制卡206的硬件初始化；

步骤四，载入生物组织或细胞样本；将载有生物组织或细胞样本的液体通过微流通道302导入到培养腔306中；载入方式可以采用逐个打开培养腔306导入的方式，可以打开整列培养腔306一次性导入；

步骤五，药物输入控制，将多种待筛选的药物、清洗溶液加压导入微流控芯片3中，通过控制药物液体接口下方的蠕动泵以不同频率循环开关使输入药物以不同的配比混合或者进行浓度稀释，并导入到指定的培养腔306中；

步骤六，在分析控制软件中，设置自动成像模块4进行多点位追踪拍摄，观察位于培养腔306中的测试生物样本的动态变化；

步骤七，在分析控制系统1中设定测试对象通过药物刺激后的目标状态参数，设定添加药物的序列、浓度，辅助药物的序列、浓度，启动分析控制软件开始无人值守式药物筛选过程，进行定时比对和全自动药物添加；所述目标参数包括细胞数量、生物组织尺寸、荧光强度；

步骤八，通过实时比对，分析控制系统1自动选择药物序列中的目标药物和辅助药物，组合出各种药物浓度刺激测试对象，待符合设定值及特定时间时，筛选结束并输出达到目标时使用的药物序列、各自浓度、作用时间，以及输出药物筛选时生物组织或细胞样本的最终表现结果。

在一实施例中，电磁阀201为1-24个并联，通过导线207将每个电磁阀201同控制卡206相连；进气气线接入每一个导气轨215的进气孔209，每个导气轨215包含有8路出气口；每个电磁阀201对应导气轨215上的一个出气孔208，并用气线接入一个对应的储液管211。

在一具体实施例中，S1、将系统按照图1连接好，将外部计算机、自动成像模块4和多通道微流体控制模块2的电源开启；S2、启动软件系统，分别手动连接自动成像模块4和多通道微流体控制模块2的控制卡206，连接成功后会自动初始化系统；S3、将图3所示的微流控芯片3接入到系统中，连接完成效果如图2，其中多通道微流体控制模块2的出液微管线202与微流控芯片3的控制阀相连，控制液体(不同药物)输送；微流控芯片3的进液口301与药物输入口相连，并通过气体压力驱动，随后将连接完成的芯片置于显微镜载物台上；培养腔306内培养待检测活细胞，类器官或者生物组织；为实现荧光显微成像，生物样本在导入到芯片之前使用活细胞染色；为观测胞内信号通路的动态响应过程和蛋白质分子相互作用，使用荧光小分子或者瞬时转染标记特定的胞内蛋白质分子；S4、携带不同药物的液体输送的驱动气压通过数字减压阀设置为1.5psi，通过出液微管线202连接到微流控芯片3的进液口301，进而通过打开关闭由多通道微流体控制模块2操控的微流阀，控制药物的输入，通过控制药物液体接口下方的蠕动泵以不同频率循环开关使输入药物以不同的配比混合或者进行浓度稀释，并导入到指定的培养腔306中；S5、将自动成像模块4的物镜切换为20X，然后移动载物台至微流控芯片3的培养腔306，调节物镜焦距，记录左上和右下两个培养腔306的位置，程序自动计算矩阵中其他培养腔306的位置，并生成位置阵列；S6、设置针对所筛选药物对生物样本作用的预期值，包括对肿瘤细胞运动能力、增殖率和死亡率的影响，以百分比表示。

在操作界面点击开始键，启动以特定细胞数量为目标的药物筛选进程，具体进程为：

a)软件通过USB串口线操控多通道微流体控制模块2的控制卡206，使其断开进液口301控制阀的电磁阀201的供电，使得目标药物组合(经过自动稀释和药物混合)进入装有活细胞的培养腔306；

b)软件控制自动成像模块4获取培养腔306内的明场和荧光图像，然后传递给分析控制系统1，分析控制系统1识别图像中的单细胞，并在帧与帧之间进行单细胞追踪，进而采集单细胞在药物环境条件下的形态、行为和胞内生物化学反应信息；

c)通过分析控制系统1的实时计算，将实验结果反馈至多通道微流体控制模块2，从而通过控制微流控芯片3中的实验条件。例如，在单一药物条件下，肿瘤细胞死亡数量小于设定目标时，系统选择在特定培养腔306中增加灌注的药量，同时在另一个培养腔306中加入导致肿瘤细胞死亡的辅助药物，持续观测在动态药物条件下的细胞和生物组织应激反应。在达到设定目标时停止向培养腔306中灌注目标药物，或者根据设置更换另一种药物；软件发出指令，向目标电磁阀201供电将培养腔306四周和进液口301的控制不同阀的开启关闭；

d)在不同的培养腔306中构建不同药物环境(单一药物浓度梯度和组合药物)并基于活细胞检测药物有效性的操作过程与步骤c相似；

e)当研究多种药物共同作用时，软件系统会自动根据一种药物对细胞的影响为初始输入参数，然后根据实验结果调整药物浓度和加入辅助药物，最终实现多药物组分的联合药物和动态药物浓度对细胞影响的筛选。或者，结合万数量级高通量芯片，直接在独立培养腔306中构建不同浓度的药物组合，通过观测细胞形态行为，筛选出最优的药物组合；

f)采用决策树机器学习方法，评估药物组分间的协同和抑制作用。

基于自反馈高通量微流控系统的有益效果：(1)自反馈高通量微流控系统通过分析控制系统1控制多通道微流体控制模块2对微流控芯片3的液体输运进行纳升精度的操控，同时通过自动成像模块4获得生物样本的生物图像，通过实时分析生物图像获得药物条件下的细胞和生物组织发展趋势，并将实验结果反馈到多通道微流体控制模块2，从而实时调整微流控芯片3培养腔306中的药物条件，实现动态可调整药物筛选；(2)自反馈高通量微流控系统在微流控芯片3中培养活细胞和生物组织，通过实时观测活细胞形态行为，对生物样本进行荧光标记，监控活细胞信号通路动态进程和蛋白质分子动态分布，相比较于现有的基于分子结构的筛选系统，本系统所获得的实验结果更能够反应药物分子在复杂生命系统中的有效性，可更快更准确获得符合临床应用需求的药物筛选结果；(3)自反馈高通量微流控系统将分析控制系统1、多通道微流体控制模块2、微流控芯片3、自动成像模块4集成为自动化一体系统，克服现有药物筛选技术独立、人工参与程度高、耗时长、易导致较大的系统误差等不足。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，包括：微流控芯片、多通道微流体控制模块、自动成像模块、分析控制系统；其中，

所述多通道微流体控制模块，与所述微流控芯片连接；

所述分析控制系统，分别与所述多通道微流体控制模块、所述自动成像模块连接，用于：

控制所述自动成像模块对所述微流控芯片中培养的生物组织或细胞样本进行拍摄，获取生物图像，对所述生物图像进行实时分析，得到实验结果，并将所述实验结果反馈至所述多通道微流体控制模块；

所述多通道微流体控制模块根据所述实验结果对所述微流控芯片中的实验参数进行调整。

2.如权利要求1所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述多通道微流体控制模块包括：电磁阀、出液微管线、USB串口接口、气线接口、电源接口、控制卡、导线、供气线、储液管、导气轨、储液管架；其中，

所述USB串口接口的一端与所述分析控制系统连接，另一端与所述控制卡连接；

所述电源接口的一端与所述市电连接，另一端与所述控制卡连接；

所述气线接口的一端与所述空气压缩机或压缩气瓶连接，另一端与所述控制卡连接；

所述导线，设置在所述控制卡与所述电磁阀之间；

所述供气线，用于将所述电磁阀的出气孔与所述储液管连接；

所述储液管，设置在所述储液管架上；所述储液管中存储有目标液体；

所述出液微管线的一端伸入所述储液管中，另一端与所述微流控芯片连接；

所述电磁阀，设置在所述导气轨的气路上；

所述控制卡，分别与所述USB串口接口、电源接口、气线接口；电磁阀连接，用于：

接收所述USB串口接口发送的所述分析控制系统获取所述实验结果；

基于所述电源接口获取电源；

基于所述气线接口获取目标气体,并将所述目标气体通过导气轨的进气孔使目标气体进入所述导气轨；

控制所述电磁阀的开关，来控制气路的通断。

3.如权利要求2所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述储液管包括：管身、外螺旋鲁尔头、管盖；其中，

所述出液微管线通过设置在所述管身上的圆孔伸入所述储液管，并与所述储液管的底部接触；

所述外螺旋鲁尔头穿过所述管盖上部的一端通过所述供气线与所述电磁阀的出气孔连接。

4.如权利要求3所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片包括：进液口、微流通道、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、培养腔、第四控制阀、出液口；其中，

所述进液口，设置在所述微流通道的第一端部；

所述微流通道上依次设置有所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀及第四控制阀；

所述培养腔设置在所述第三控制阀与所述第四控制阀之间；所述培养腔中培养有经荧光标记的生物组织或细胞样本；

所述出液口，设置在所述微流通道的第二端部。

5.如权利要求1所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述自动成像模块包括激发光源及成像器件；

所述激发光源包括激光器件及激发光路，所述激光器件通过所述激发光路发射激光的波长同经荧光标记的生物组织或细胞样本的激发波长相匹配，光源光斑覆盖每个独立的培养腔；

所述成像器件包括用于采集生物图像的CCD相机及用于采集生物图像所附带的光路，所述生物图像为荧光图像。

6.如权利要求2所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述空气压缩机或压缩气瓶通过气线接口输入目标气体的气压范围为20psi-50psi；

所述微流控芯片中液体的流速范围为0.1mm/s-1mm/s。

7.如权利要求3所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述储液管的管身的材质为塑料，参数为5-15ml；所述设置在管身上的圆孔的直径为1.5mm；所述管盖的直径为22mm，所述管盖的中心设置有3.5mm的圆孔，直径为3.2mm的外螺旋鲁尔头的头部由内至外伸出，穿过所述3.5mm的圆孔，并将所述外螺旋鲁尔头从所述管盖的内部用防水抗压胶固定；所述供气线的长度范围为20cn-30cm。

8.如权利要求4所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片包括56个培养腔，所述培养腔的参数为长400μm×宽400μm×高150μm；所述微流通道的参数为宽100μm×高25μm；所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀及第四控制阀的参数为长100μm×宽100μm；所述微流控芯片包括22个进液口。

9.如权利要求4所述的自反馈式高通量微流控系统，其特征在于，所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀根据预设控制逻辑进行阀门的开关，驱动液体进入培养腔；在所述第四控制阀打开时，培养腔中的液体经所述第四控制阀通过出液口流出。

10.根据权利要求1-9任一项所述的自反馈式高通量微流控系统进行自反馈式高通量药物筛选的方法，其特征在于，包括：

步骤一，依次打开外部计算机电源，开启自动成像模块的电源，将电源接口插头接入多通道微流体控制模块的电源接口中，使用USB串口接口分别将控制卡与外部计算机相连；

步骤二，高通量药物筛选平台准备，将微流控芯片的进液口与多通道微流体控制模块的出液微管线相连，通过连接外部计算机中的控制系统打开和关闭电磁阀来对微流控芯片的加压，实现对微流控芯片中液体输运的控制；

步骤三，分析控制系统初始化，即在安装有分析控制系统的外部计算机上，启动分析控制软件，连接自动成像模块和多通道微流体控制模块的控制卡，连接成功后，分析控制软件将自动进行自动成像模块和控制卡的硬件初始化；

步骤四，载入生物组织或细胞样本；将载有生物组织或细胞样本的液体通过微流通道导入到培养腔中；载入方式可以采用逐个打开培养腔导入的方式，可以打开整列培养腔一次性导入；

步骤五，药物输入控制，将多种待筛选的药物、清洗溶液加压导入微流控芯片中，通过控制药物液体接口下方的蠕动泵以不同频率循环开关使输入药物以不同的配比混合或者进行浓度稀释，并导入到指定的培养腔中；

步骤六，在分析控制软件中，设置自动成像模块进行多点位追踪拍摄，观察位于培养腔中的测试生物样本的动态变化；

步骤七，在分析控制系统中设定测试对象通过药物刺激后的目标状态参数，设定添加药物的序列、浓度，辅助药物的序列、浓度，启动分析控制软件开始无人值守式药物筛选过程，进行定时比对和全自动药物添加；所述目标参数包括细胞数量、生物组织尺寸、荧光强度；

步骤八，通过实时比对，分析控制系统自动选择药物序列中的目标药物和辅助药物，组合出各种药物浓度刺激测试对象，待符合设定值及特定时间时，筛选结束并输出达到目标时使用的药物序列、各自浓度、作用时间，以及输出药物筛选时生物组织或细胞样本的最终表现结果。

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