微流控药物筛选系统、方法及存储介质

本发明涉及生物，尤其涉及一种微流控药物筛选系统、方法及存储介质。

背景技术：

1、肿瘤类器官因保留患者来源组织的遗传与表型特征，被认为比传统二维细胞系及部分动物模型更接近临床实际，是开展个体化药效评估与精准用药研究的重要工具。微流控液滴技术在类器官构建与药物筛选领域得到了广泛研究，该技术可在微米尺度下精确控制流体行为，通过连续相与分散相的汇流作用生成均一的液滴或水凝胶微球，实现对细胞及类器官的包埋与高通量制备。

2、现有的类器官培养及检测方法仍多以“制备-上药-成像-离线分析”的线性流程为主。在药物筛选过程中，药物给药多在微球或类器官出片后离线完成，成像与数据分析环节与制备过程相互割裂。同时，现有的类器官培养及检测方法中，类器官或微球的尺寸分布不均、批间差异大、操作依赖人工经验，导致结果重复性差、实验通量低。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种微流控药物筛选系统、方法及存储介质，用以解决现有技术中，类器官微球的尺寸变异、荧光定量可比性与药效判别准确性低的技术问题。

2、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种微流控药物筛选系统，包括：

3、微流控流道芯片，用于在连续相与分散相的作用下生成包埋有类器官或细胞的水凝胶液滴，在交联区固化形成类器官微球；

4、给药模块，用于使所述类器官微球接受至少一种药物在多个剂量浓度下的处理，形成待测微球阵列，所述待测微球阵列包括多个待测微球；

5、光学检测模块，用于对各所述待测微球进行光学成像，获取对应的微球图像；

6、计算与控制模块，与所述光学检测模块通信连接，用于对所述微球图像进行分析，确定各待测微球对应的尺寸信息与荧光强度信息，并生成药物筛选结果，以及当所述尺寸信息与荧光强度信息满足预设调节条件时，生成参数控制指令；

7、参数调节模块，与所述计算与控制模块、所述微流控流道芯片及所述给药模块连接，用于响应所述参数控制指令，调节所述微流控流道芯片的流体参数，和/或，所述给药模块的给药参数。

8、在一种可能的实现方式中，所述计算与控制模块包括pid控制器或模型预测控制器；

9、所述pid控制器，用于基于所述尺寸信息与预设尺寸阈值的偏差，和/或，所述荧光强度信息与预设强度阈值的偏差，进行比例、积分、微分运算，生成所述参数控制指令；

10、所述模型预测控制器，用于基于所述尺寸信息和/或所述荧光强度信息构建预测模型，并通过滚动优化求解生成所述参数控制指令。

11、在一种可能的实现方式中，还包括：

12、标定与归一化模块，与所述计算与控制模块连接，用于存储预定荧光强度的参照微球的标定数据，并基于所述标定数据建立荧光强度与成像参数之间的标定模型；

13、所述标定与归一化模块，还用于根据所述标定模型，对各待测微球的所述荧光强度信息进行跨批次、跨设备的归一化处理，并对所述微球图像、各待测微球的所述尺寸信息、各待测微球的所述荧光强度信息、所述药物筛选结果、所述流体参数及所述给药参数进行存储和溯源。

14、在一种可能的实现方式中，所述计算与控制模块配置有训练好的微球分析深度学习模型；

15、所述微球分析深度学习模型，用于接收所述微球图像作为输入，对所述微球图像进行实例分割与强度回归处理，以确定各待测微球对应的尺寸信息与荧光强度信息；以及

16、基于各待测微球对应的荧光强度信息，预测并输出药物筛选结果，所述药物筛选结果包括ic50值或敏感性分型结果。

17、在一种可能的实现方式中，所述给药模块包括设置在所述微流控流道芯片内部的多个给药入口及与所述给药入口连通的微流道网络；

18、所述给药入口，用于引入不同浓度的所述药物；

19、所述微流道网络，用于在所述微流控流道芯片内形成所述多个剂量浓度；

20、和/或，

21、所述给药模块包括与所述微流控流道芯片下游连接的自动化上药单元；

22、所述自动化上药单元，用于在所述类器官微球离开芯片后被转移至培养板时，在所述培养板上形成所述多个剂量浓度，以使转移至所述培养板的所述类器官微球接受对应浓度的药物处理。

23、在一种可能的实现方式中，所述光学检测模块包括：

24、多波段激发光源，用于发射不同波段的激发光以激发所述待测微球产生荧光信号；

25、发射滤光片组，用于选择性地透过预设波段的所述荧光信号；

26、图像传感器，用于接收经所述发射滤光片组透过的荧光信号，以获取原始微球图像；

27、图像校正单元，用于对所述原始微球图像执行平场校正和暗场校正，以消除光照不均和暗电流噪声，生成所述微球图像。

28、在一种可能的实现方式中，所述计算与控制模块包括：

29、预处理单元，用于对所述微球图像进行预处理，所述预处理包括灰度化、滤波降噪及对比度增强；

30、分割识别单元，用于利用图像分割算法识别并提取单个待测微球的目标区域；

31、特征提取单元，用于根据所述目标区域计算每个待测微球对应的尺寸信息与荧光强度信息；

32、归一化单元，用于对所述荧光强度信息进行归一化处理；

33、药效拟合单元，用于基于归一化后的荧光强度信息，利用四参数logistic方程拟合剂量-响应曲线，获得ic50值或曲线下面积，作为所述药物筛选结果。

34、在一种可能的实现方式中，所述微流控流道芯片采用汇流聚焦或t型交汇结构，喷嘴等效最窄宽度为50～150μm，以形成直径为30～60μm的类器官微球；

35、所述微流控流道芯片下游依次设有光学窗口、所述交联区及分选或收集支路；

36、所述分散相为包含海藻酸钠的可交联水凝胶溶液，所述连续相为包含表面活性剂的生物相容性油相；

37、所述交联区用于提供化学或光交联条件，用于使所述水凝胶液滴固化。

38、第二方面，本发明还提供了一种微流控药物筛选方法，应用于第一方面中任一项所述的微流控药物筛选系统，包括：

39、在所述微流控流道芯片内，通过连续相与分散相的汇流剪切作用生成包埋有类器官或细胞的水凝胶液滴，并使所述水凝胶液滴在交联区固化形成类器官微球；

40、通过所述给药模块，使所述类器官微球接受至少一种药物在多个剂量浓度下的处理，形成待测微球阵列，所述待测微球阵列包括多个待测微球；

41、通过所述光学检测模块对各所述待测微球进行光学成像，获取对应的微球图像；

42、通过所述计算与控制模块对所述微球图像进行分析，确定各待测微球对应的尺寸信息与荧光强度信息，并生成药物筛选结果；

43、当所述尺寸信息与荧光强度信息满足预设调节条件时，所述计算与控制模块生成参数控制指令，通过所述参数调节模块实时调节所述微流控流道芯片的流体参数，和/或，所述给药模块的给药参数。

44、第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机可读取的程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时能够实现上述第二方面所述的微流控药物筛选方法中的步骤。

45、本发明的有益效果是：

46、本发明提供的微流控药物筛选系统，包括微流控流道芯片，用于在连续相与分散相的作用下生成包埋有类器官或细胞的水凝胶液滴，在交联区固化形成类器官微球，提升了微球尺寸的均一性与形态的稳定性；给药模块，用于使类器官微球接受至少一种药物在多个剂量浓度下的处理，形成待测微球阵列，待测微球阵列包括多个待测微球，提升了药物筛选的通量与数据获取效率；光学检测模块，用于对各待测微球进行光学成像，获取对应的微球图像，确保了微球形态学信息与荧光响应信号的同步获取；计算与控制模块，与光学检测模块通信连接，用于对微球图像进行分析，确定各待测微球对应的尺寸信息与荧光强度信息，并生成药物筛选结果，提升了筛选数据处理的自动化程度与结果的一致性，以及当尺寸信息与荧光强度信息满足预设调节条件时，生成参数控制指令；参数调节模块，与计算与控制模块、微流控流道芯片及给药模块连接，用于响应参数控制指令，调节微流控流道芯片的流体参数，和/或，给药模块的给药参数，使得系统能够对工艺偏差进行实时修正，提升了不同制备批次之间微球尺寸的稳定性和药物筛选结果的批间可比性。