在德州农工大学，一个研究实验室正在改变液滴微流控技术的游戏规则——这是一种在受控环境中以纳米级液滴进行实验的技术。该团队开发出一套系统，使液滴微流控技术更快速、成本更低且更精确。
德克萨斯仪器公司教授、电气与计算机工程系教授Arum Han博士及其实验室开发了一项名为NOVAsort（下一代基于光学体积的高精度液滴分选）的技术。该系统能够以显著降低的错误率对分子和细胞进行高通量筛选。
虽然此前的研究主要集中在提高实验（一种实验室测试）速度上，但这项发表在《自然通讯》上的研究是首批在不牺牲实验速度的前提下显著提升准确率的研究之一。
在生物技术、医疗保健和化学领域，通常需要进行数百万甚至数十亿次的细胞和分子筛选。然而，尽管液滴微流控技术在快速测试方面具有显著优势，但其最大的局限之一是多步骤液滴操作中的高误差率。这正是该技术尚未被广泛采用并商业化的原因之一。
“假设你是一名制药行业的药物开发者，或者在生物技术行业开发新的高价值分子，” Han表示。“你需要测试数百万种不同的药物化合物，以确定它们是否对特定癌细胞有效，或者逐一测试数百万个细胞，以找到最能生产优质细胞株的细胞。再比如，环境中存在无数微生物，要确定哪一个可能最有用，或哪一个在执行哪些功能，就需要逐一测试数百万个细胞。”
传统上，这些实验必须通过耗时且昂贵的过程重复进行。而Han开发的无误差NOVAsort技术，使液滴微流控技术在制药和生物技术行业、农业公司以及科研领域中变得更加有价值，这些领域经常需要进行数百万次实验，且通常是手动完成的。
“如果你进行一万个或一百万个实验，5%的误差率已经非常大了。我们的发明显著降低了液滴微流控技术在单细胞或单分子水平筛选中的误差，例如，现在的误差率是5%，现在可以降至0.01%，” Han说。“使用这种方法，你可以运行数百万次实验，而假阳性或假阴性率非常低。有了这项新技术，液滴微流控技术成为了一种极其强大的工具。”
技术影响
NOVAsort源自Han于2019年获得的由美国国防高级研究计划局（DARPA）资助的1500万美元项目。该项目的目标是到野外采集土壤和水样，并快速识别其中可能有害的微生物。为了实现这一目标，Han和他的团队开发了一种技术来测试数百万个单独的细菌样本。
“对于那个项目，速度和高度准确性至关重要，因为如果结果存在大量误差，你可能会错误地判断某种微生物是否有害，” Han表示。“这正是我们开发这项技术的主要动力：降低误差率，从而在野外测试数百万乃至数十亿个微生物时，误差率极低。”
Han为期数年的DARPA项目最终催生了NOVAsort，现在这项技术可以广泛用于民用领域。例如，该技术可用于帮助医生制定最佳且最及时的疾病干预策略。
“假设某人感染了一种病原微生物，” Han说。“医生尝试使用抗生素治疗，但一线抗生素不起作用。他们必须迅速找到哪种药物可能是最佳抗生素，以及应使用的剂量，以对抗难以治疗的传染病。”
由于Han的新技术能够实现高通量筛选——在短时间内测试数百万个样本——这也意味着它可以提高潜在药物候选物发现的速度和准确性，包括下一代抗癌药、抗微生物药物和抗真菌药物。
此外，这项技术还可应用于生物制造领域，即利用生物系统生产有价值的产品、化学品和分子。NOVAsort可以加速利用生物有机体生产高价值分子的过程。
“我们或许能够开发出更优质的药物、更好的材料和更优良的化学品，而且可能成本更低、更加环保和可持续，” Han说。
随着人们对人工智能和机器学习等计算机辅助工作的兴趣日益浓厚，NOVAsort也可以用于为研究人员生成大量高质量、近乎零误差的数据。
合作与未来展望
NOVAsort是Han的NanoBio系统实验室与医学科学专家Paul de Figueiredo博士合作的成果。Paul de Figueiredo此前任职于德州农工大学健康科学中心，目前是密苏里大学NextGen精准健康捐赠教授。他们多年来一直合作开发微流控技术，并将其应用于医学和生物技术研究，未来还将继续推进相关技术的发展。
所有这些微流控芯片都是在德州农工大学的AggieFab纳米制造设施中制造的，这是一个最先进的洁净室设施，也得到了近期通过的《得克萨斯芯片法案》的支持。
“我的实验室专注于技术创新，而这项技术的应用则需要与医学院和生物技术专家广泛合作，” Han说。“至于这项技术的未来发展，我们的目标是实现0%误差。”
“我们为这项工作感到非常自豪，” Han补充道。“我们将继续改进这项技术，打造能够执行复杂实验的微流控芯片，并将这项技术应用于更广泛的应用领域，以更快地推进研发，同时将误差保持在尽可能低的水平。我们的重点是创新下一代微流控技术。”
这项研究的资金由德州农工大学工程实验站（TEES）管理，该机构是德州农工大学工程学院的官方研究机构。
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