美国科学院院士、哈佛大学教授David A. Weitz暑假来访

2015年8月24日上午，应崔胜研究员邀请，David A. Weitz 教授给大家作了题为“Drop-based microfluidics for diagnostic applications”的学术报告。David A. Weitz 是美国哈佛大学（Harvard University）工程与应用科学学院教授，美国科学院院士、美国艺术与科学学院院士，学术成就斐然。Weitz自1999年在美国哈佛大学工程与应用科学学院任教授，2001年至今兼任美国哈佛材料研究科学与工程中心主任，2006年至今兼任美国哈佛大学系统生物学系教授。迄今，Weitz已发表学术期刊论文400多篇，其中在Science, Nature,Nature Materials等刊物上发表近30篇，申请发明专利56项，应邀在世界各地做过500多次邀请学术报告。Weitz教授是国际上软湿功能材料、胶体微粒系统、生物物理与生物材料、微流控等研究领域的知名专家，具有显著的国际影响力。

David A. Weitz 教授首先介绍了微流体操作技术（Microfluidics）基本原理，展示了微液滴的制备、包装、融合和分选等基本操作技术。随后，他着重讲述了微流体技术在医学研究中的应用，主要体现了微流体学在单分子，单病毒和单细胞水平上的分析能力。利用微流体技术能够便捷的制备数以百万、体积均一的微液滴。每一个微液滴（最小仅几个皮升Picoliter）都可以成为独立的生化反应器，能够直接在微液滴中进行生化反应（如dPCR）。当被测样品被充分稀释的情况下，即被测量目标数量远小于微小液滴数量时，微流体技术能够确保每一个微液滴最多包装一个被测目标（根据制备液滴大小可以包装一个蛋白质/核酸分子、病毒或细胞）。接下来，这些微液滴被转入试管进行生化反应，反应产物所携带的信号（如荧光等）可用于微液滴的分选、分离和富集，然后进行下一步分析和鉴定（如深度测序等）。由于微流体技术实现了微小空间内的化学反应，因此该技术体系较传统实验体系具有两个明显优势：（1）在样品量极低的情况下能够保持底物高浓度，从而提高检测灵敏度；（2）能实现单个分子、单个病毒或细胞的检测，从而获得被测目标个体的信息，可探索个体之间差异。

在应用方面，Weitz接下来给大家讲述了几个经典案例。CTCs（Circulating Tumor Cells）的检测是肿瘤诊断的关键。少数肿瘤细胞能够由癌组织渗透到血液中形成CTC，随后通过循环系统扩散，引起肿瘤的扩散和复发。CTCs检测技术难点在于CTC在血液中存在量极低。例如，肿瘤患者每毫升血液有数以亿计的细胞，其中可能仅存在1个CTC。通过去除血液中普通血细胞之后仍然剩下约一百万个细胞。利用微流体技术将这些细胞分别包装到不同的微液滴中，然后进行原位裂解和dPCR反应即可成功的检出CTC标识基因。这一案例显示了基于微流体技术高灵敏度检测能力。在研究病毒耐药进化方面，利用微流体技术可以实现将一个单细胞、病毒和中和性抗体同时包装在一个微液滴中并进行原位培养。由于中和性抗体的存在，大部分液滴中的细胞受到保护，仅有非常少数的病毒通过突变获得了逃逸抗体中和活性的能力，因而这些液滴中和细胞发生了裂解。由于发生裂解和未发生裂解的液滴能够利用微液滴分选技术自动筛选和分离，这些液滴中的病毒基因组可分别通过PCR技术扩增并进行深度测序，最终可揭示一系列病毒个体耐药突变耐药的机理，揭示病毒在没有竞争环境中进化规律。