一块玻璃片、一根精细管和一个油浴槽就是全部所需：得益于一种新方法，苏黎世联邦理工学院的研究人员可以在几分钟内生成数以万计的微小液滴。这使他们能够比以往更快、更精确、更节省资源地测试酶和活性成分。
当酶遇到一种旨在抑制或激活该酶的潜在活性成分时会发生什么？这正是药物研发的核心所在。然而，分析酶与活性成分分子之间的相互作用极为复杂。
在苏黎世联邦理工学院生物分析学教授Petra Dittrich领导的团队开发了一种能极大简化此类测试的方法：该方法可在玻璃片上生成多达10万个包含酶和底物的微小液滴——仅需40分钟，且无需使用移液管。
这项研究成果发表在《Small》期刊上。
迄今为止，大多数研究人员都使用微孔板进行此类分析，微孔板是手掌大小的标准塑料板，上面最多有约1,500个小孔。每个小孔本质上是一个微型试管，需要用移液管填充。而苏黎世联邦理工学院研究人员开发的新方法则更加高效、环保且灵活。
精确落点的液滴
该方法的核心是一块约显微镜载玻片大小的涂层玻璃片，尺寸约为2×7厘米。其表面覆盖有一层疏水层，在多达10万个点上进行了特殊处理：形成微小的亲水着陆点供液滴附着。测试溶液通过一根精细管输送到玻璃片上，玻璃片在精确控制下移动。
当液体到达亲水点时，微小液滴立即分离并精确附着在该位置。这些液滴非常微小：根据玻璃片尺寸的不同，其直径范围在50至250微米之间——比人类头发还细，肉眼几乎不可见。
为了保持液滴的稳定性，整个玻璃片被浸入浅油浴槽中。油可以防止微小液滴在长时间实验中蒸发，同时还能防止污染。实验结束后，油甚至可以收集、清洁并重复使用。
整个液滴生成过程通过一台显微镜大小的紧凑型设备实现自动化，该设备还能进行显微观察、细胞培养和自动更换样本。
"过去正确设置一切需要半小时，"Breitfeld表示。"如今，多亏了我们的自动化系统，只需按一下按钮，实验就能开始运行，"苏黎世联邦理工学院Dittrich研究小组的科学家Maximilian Breitfeld说道。
此外，精确控制与物理油保护的结合使得能够有针对性地改变液滴的成分——有时活性成分多一些，有时少一些，从而形成精细的浓度梯度。
研究人员可以利用这一特点长时间观察酶的活动，或者在高度并行化的测试中研究活性成分对细胞的影响。随后，液滴通过荧光显微镜或质谱分析进行检测，从而精确追踪酶反应。
从小时到分钟
该基本理念源于该团队先前的工作，他们之前已经为筛选应用生成了液滴。
"我们知道该技术在原理上如何工作，但在实践中速度太慢，无法具有竞争力，"Dittrich教授表示。前博士生Maximilian Breitfeld和Claudius Dietsche采取了决定性步骤：他们新开发的工艺不仅大幅加速了液滴生成，还实现了整个过程的自动化。
苏黎世联邦理工学院已为该工艺申请专利，并将其提名为今年Spark Award的决赛入围者。
管理海量数据
该方法的巨大潜力也带来了新的挑战。"我们生成了海量数据，"Dittrich教授表示。"手动评估已不再可能——我们需要软件解决方案，帮助我们以有意义的方式分析信息。"
尽管数据量迅速增加，但资源消耗却出人意料地低：每次实验可节省高达5公斤不可回收塑料，使用的油可以收集，而与传统方法相比，化学消耗量大幅减少，因为整个实验运行只需微升而非升的反应介质。
然而，该方法也有明显的局限性。虽然微小液滴非常适合微流控中常见的小体积快速反应，但该新方法并不适用于大体积液体或需要数周生长的组织培养。
从研究到衍生企业
研究人员目前正计划成立一家衍生企业，将该方法推向市场。他们计划销售包含玻璃片、设备和软件的完整系统——以及基于该系统的生物测试作为可选方案。
"对我而言，至关重要的是系统真正可靠且易于使用，"Dietsche表示。"只有在我们能保证其易用性的情况下，它才能在我们的研究实验室之外得到应用。"
研究人员报告称，需求已经显现，而Spark Award的提名也为计划中的衍生企业提供了额外动力。
更多信息：M. Breitfeld等，《用于无标记测定酶反应动力学的具有化学梯度的微滴阵列的超快形成》，《Small》(2025)。
【全文结束】
