传统中医药源远流长底蕴深厚，承载着千年的草药知识与治疗传统。如何将这份珍贵的传统与现代科技融合，实现中医的现代化发展，一直是业界探讨的热点。近期，清华大学中药研究院梁琼麟教授团队发表的一项关于微流控芯片技术在传统中医现代化中应用的研究引发了广泛关注。让我们共同踏入这个结合古老智慧与现代科技的领域，探寻中医药发展的新篇章，展望其灿烂的未来。
传统中医药凭借其复杂的成分、药物部分、物种多样性及产地特色，展现出了高度的可定制性和适应性，然而这些独特属性在质量控制、活性成分筛选、细胞与器官药理学研究以及不同中药兼容性评估等方面也带来了显著挑战。面对这些挑战，传统中药的研究迫切需要整合新技术，以推动中医药的现代化进程。
本研究基于整体概念的启示，提出了一种更加契合中医药研究特点的综合策略和模式。该策略强调将新技术整合到中医药的现代化研究中，以期在质量控制、活性成分筛选以及药理学研究等方面取得突破，为中医药的未来发展开辟新道路。
图1
1. 中医的现代化
中医理论的构建基础在于疾病的治疗效果，其机制描述源于东方古典哲学，这与依赖解剖生理学的化学医学不同。中药主要由植物、动物产品及无机盐构成，制备过程简单，保留了原始形态，并通过口服给药，因此，味性被认为是中医的性质之一。中医理论随临床实践发展，形成热、温、凉、寒四种性质，针对不同症状提供多样化治疗。中药配伍具有复杂的相互作用，需合理搭配以避免副作用，其配伍关系由“君/臣/佐/使”理论描述，但缺乏分子层面的明确解释，需进一步研究。
中医现代化战略旨在融合传统中医理论与现代科技，加强中医药的研发、生产、管理和应用。过去三十年间，该战略在遗传资源、质量控制、新药开发等多个领域取得显著进展，并得到政府层面的政策支持。中药的生产强调正确方法以保持药效，在原始鉴定中采用DNA条形码技术精确识别中药来源，并揭示其遗传变异。在质量控制方面，多组分单标记定量分析方法(QAMS)和指纹图谱策略被用于评估中药质量。中医药化学组学(TCMC)被提出以阐明中医结合理论，通过分析化学物质群和生物信息流来发现关键化学物质群。系统药理学和网络药理学等现代技术为中药研究提供了更全面和深入的视角，促进了中药有效性和安全性的评估。中医现代化正通过创新理论和技术手段不断推进。
《中药现代化》的发布推动了标准化、客观评价方法的进步，这些方法被广泛应用于质量控制、药理学/毒理学评估和产业化。中医现代化涉及对经典理论的澄清，如四性、五态、经络和配伍，并推动了活性化合物、药效学、生物反应等多方面的探索。这些研究揭示了中药作为多组分、多靶点方法的独特价值，与传统化学药物形成鲜明对比。新技术的融合，特别是化学组学、系统药理学和代谢组学的进步，进一步加速了中医药现代化。然而，由于缺乏能同时评估多个细胞或器官的多维监测技术，中药间相容性机制的理解受限。微流控技术作为生命研究的功能平台，通过其微流控特性和集成能力，为中药相容性的表征提供了新途径，有望揭示不同器官间的复杂相互作用（图2）。
图2
2. 微流控和微流控芯片
微流体学是流体力学的一个分支，主要研究微米尺度上的流体行为。与宏观流体系统不同，微流体主要在层流条件下运行，表面张力变得不可忽视。通过定制的微通道，可以维持层流状态，这在宏观流动中通常不存在，为微长度尺度的流动研究和应用提供了便利。表面效应在微流体中至关重要，特别是表面张力，它受到流体性质、温度和化学修饰的影响。液滴微流体技术利用这些原理，在微通道内操纵不混相液体。在微观尺度上的操作遵循缩放定律，导致化学和生物试剂的质量和体积显著减少（图3A-D）。
微流控研究采用封闭或半封闭结构作为标准平台，其中硬质材料如玻璃和二氧化硅因光学和机械性能被广泛用于芯片制造。制造过程涉及光刻和蚀刻技术，并可通过表面改性提升性能。聚合物如PDMS因透明、可塑和成本效益而受欢迎，用于构建微流控芯片，并可通过软光刻和3D打印技术制造。微通道内的多流流动控制可实现精确液体操控，形成不同浓度混合物，成为药物制备、单细胞分析和体外模拟血管生理特性的有力工具。此外，微流体还应用于细胞图谱技术，通过创新设计实现细胞阵列的创建和三维细胞操纵，展示了微流控芯片在生物学研究和组织工程中的重要作用。（图3）
图3
药物分子的分离涉及多种物质交换过程，传统方法如薄层色谱法、柱层析和高效液相色谱法和气相色谱法(GC)等被广泛使用。然而，中药的分析受到多种因素的阻碍，这促进了技术整合，如使用高效液相色谱-质谱法进行高通量、高灵敏度的分析。为了克服资源密集型和劳动密集型的问题，微流体技术被引入到药物分析中，它具有减少样品消耗和仪器依赖的优点。通过功能微通道和微室，微流控芯片使化合物分析系统最小化，并优化了原料利用效率。这种技术还可以用于模拟体内相互作用，有助于澄清中医理论。
传统的细胞培养方法难以在单细胞层面上进行研究，无法全面反映细胞间的相互作用。而细胞芯片技术的出现，通过定制灵活的微通道和腔室设计，极大地推动了单细胞分析的发展。该技术能探索细胞的物理性质，实现单细胞捕获，并通过共培养模式方便观察细胞间相互作用。此外，微流控芯片具有低样品消耗和高通量的优点，能实时分析细胞生理病理，加速发现细胞对微环境变化的反应，并改善药物评价系统（图4A、B）。
生物亲和材料的发展使类器官芯片成为生物学与微技术结合的新突破，可模拟人体生理学。这些类器官芯片在专用设备上精确设计并培养细胞，维持器官的生理状态，并成功连接多个组织以模拟其结构和功能。这种技术为药物筛选和药效学预测提供了理想平台，同时推动了三维培养技术的发展，以更全面地了解药物反应。类器官芯片通过微流控芯片模拟血液流动，由干细胞产生，为研究器官对各种刺激的反应提供了更全面的平台。基于这些成功，人类芯片的概念已经出现，预示着在生物医学领域的广阔应用前景（图4C-F）。
图4
微流控芯片作为一个多功能集成平台，通过宏观精密仪器或微型传感器，实现了药物芯片实验室集成化和自动化。针对中药研究，传统方法如transwell细胞培养和3D细胞共培养在实时采样和分析生物样品时存在局限性，而微流控芯片上的胃/肠模拟物能够更准确地复制体内环境。此外，肝脏和肾脏在药物代谢中起关键作用，微流控芯片技术使得在体外环境中评估潜在药理或毒性作用成为可能。同时，微流控芯片也为模拟药物分配过程中的生理屏障，如血脑屏障，提供了有效的工具。特别地，该技术对于理解中药复方理论中的多种因素，如化合物共溶和抑制、药物吸收中的相互作用、复杂代谢关系以及协同拮抗药理作用等，提供了高通量分析和微观监测的能力，有助于深入了解中药作用的组织水平机制（图5）。
图5
3. 微流控芯片在中药中的应用
中药因其复杂的组成和有限的药理认识，其QC体系具有独特性，涉及品种鉴定、产地、栽培方法、加工方法和生产工艺等多方面的评价项目。微流控技术作为一种新型手段，为中药QC提供了新的途径。该技术通过高通量分析技术，实现了中药不同部位功效的快速确定，并显著减少了样品和溶剂消耗，提高了分析效率。此外，微流控技术还用于开发快速、同步的中药疗效评价方法，并在动态条件下进行药物代谢物和生物组织内源性代谢的监测。同时，该技术还解决了中药蛋白质和小分子培养中的难题，提供了一种基于实际效果的质量评价方法。由于表面修饰的出现，抗体能够固定在芯片上，研究人员开发了一种新型免疫测定芯片，对中药中可能存在的风险物质如重金属、黄曲霉毒素和农药残留等进行快速分析，以提高中药质量评价的及时性和准确性（图6A）。
3.2 活性成分筛选
药代动力学作为研究中药在体内分布的工具，结合质谱分析技术，为中药及其代谢产物的测定提供了有效方法。然而，传统的研究方法因牺牲大量动物而受到限制。配体钓法虽在生物活性化合物筛选中广泛应用，但受限于蛋白质的脆弱性和高成本。微流控芯片技术因其生物相容性和整合潜力，成为活性化合物筛选和毒性评价的有力工具。通过微通道设计和层流理论，实现了活性化合物的高通量筛选。此外，微流控芯片还应用于单细胞分析和模拟三维生理结构，为精准医学和靶向药物开发提供了支持。此外，微流控芯片在模拟血脑屏障和肿瘤微环境等病变微环境方面展现出巨大潜力，为中药方剂的临床前评估提供了更准确的平台（图6B-F）。
图6
中医药现代化在探索分子水平结合机制方面面临重要挑战，尽管已有多种先进理论被应用，但中药复杂化合物的生物学评价和验证依然艰难。例如，人参总皂苷与丹酚酸之间的协同作用虽已发现，但深入解析其相容性却异常困难。探索不同中草药对的复方增效作用或潜在不良反应，对理解生理病理状态下的表型至关重要，但分子机制的阐明尚需进一步努力。在此背景下，微流控芯片技术以其高通量、低耗样的优势，为中药配伍研究提供了新的解决方案。通过微通道设计，可以实现药物化合物的层流混合/处理，进而在芯片上优化药物的有效成分组合。实验证明，微流控芯片技术在中药配伍澄清方面具有显著应用潜力，为揭示中药配伍的微观机制提供了重要帮助。
为阐明红景天苷对DFO诱导的BV2细胞缺氧状态的缓解作用机理，研究人员建立了细胞微流控芯片质谱联用系统。实验结果显示，红景天苷能改善细胞缺氧状态，逆转能量代谢失调；而人参皂苷CK、Rh2 (S)和Rg3 (S)则展现出抗癌活性，其肝脏代谢产物亦具有类似效果。此外，利用微流控芯片模拟了医用分子和生物大分子的流动，评估了中药成分的药效和毒性，利用细胞微流控芯片-质谱联用技术研究乌头碱的神经毒性机制，以及利用多室细胞颗粒揭示了乌头碱对心脏的毒性机制（图6E、F）。
为概述了微流控芯片在中医研究中的综合应用方案，研究人员提出了一个具体的中医微流控芯片应用框架。该框架强调了在设计和制造过程中需考虑的关键因素，特别是在中药化合物的提取、分离和定量检测中，微通道设计至关重要。此外，该方案还提到了利用高效液相色谱-紫外、高效液相色谱-质谱等先进技术提升中药全分析系统的灵敏度和准确性。在中药生物学评价方面，考虑到了酶和细胞的脆弱性，提出了适应不同研究需求的腔室设计方案，如单层细胞培养和多细胞共培养芯片。微流控芯片还能实现实时采样、模拟药物吸收和代谢过程，以及体外构建类器官等功能，为中药药效和毒性研究提供了强大的工具。总之，该方案展示了微流控芯片在中医现代化过程中的重要应用，通过操控微流和集成多功能区域，可以执行各种分析协议，实现中医现代化（图7）。
图7
微流控芯片技术以其独特的优势，为中医药研究开启了全新的篇章，为中药质量控制、活性成分筛选、药物分析及药理学/毒理学研究等提供了重要支撑。该技术融合了化学、生物学和生物物理学等领域的精髓，为传统中医的现代化转型提供了强有力的平台，展现了在传统中医现代化道路上的巨大潜力，不仅为中医药的发展开辟了新的道路，更通过实验室芯片技术的革命性变革，为传统中医注入了新的活力与希望。相信，通过不断探索与应用这一先进技术，将能够更深入地理解和利用中医药的独特优势，为人类健康事业贡献更多力量。
参考文献
Lu Z, Yuan Y, Han Q, Wang Y, Liang Q. Lab-on-a-chip: an advanced technology for the modernization of traditional Chinese medicine. Chin Med. 2024 Jun 9;19(1):80. doi: 10.1186/s13020-024-00956-4. PMID: 38853247; PMCID: PMC11163804.
联系客服
