夜雨聆风
期刊：Lab on a Chip (IF=5.4)
发表日期：2026年4月6日
DOI: 10.1039/d6lc00118a
信使RNA（mRNA）技术在疫苗和癌症免疫治疗等领域展现出巨大潜力，但传统mRNA生产过程仍依赖分批式体外转录（IVT）和多个独立的下游纯化步骤，存在混合不均、热量传递差、产物抑制、操作繁琐、耗时长、产品损失及污染风险高等问题。因此，亟需一种能够将高效转录、在线模板去除、自动化纯化与浓缩整合为一体的紧凑型微流控系统，以提升mRNA生产的产率、纯度与可重复性。
韩国Pohang University of Science and Technology的研究者们开发了一种由计算机集中控制的模块化微流控平台，首次将振荡流体外转录Os(IVT)、DNase I固定化生物催化膜与微切向流过滤集成的消化/澄清模块（μFD）、以及实时pH/电导率反馈引导的自动多模态色谱（MMC）串联为端到端的自动化工作流，在2h内完成mRNA合成至纯化，单次产率约1.28 mg，全长转录本完整性高，双链RNA杂质降低83.3%，且对不同模板和修饰核苷酸具有良好适应性，为快速、灵活、可扩展的mRNA制造提供了高效平台。该研究成果以“An automated modular microfluidic platform for end-to-end mRNA synthesis and purification”为题，发表在《Lab on a Chip》期刊上。
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研究创新点
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🔵首次将Os(IVT)、μFD、传感器引导的MMC和切向流浓缩集成为准连续、闭环的自动化工作流，总处理时间从6h缩短至2h，消除手动转移与批次间差异。
🔵将DNase I共价固定于聚多巴胺修饰的PES膜上，并与微切向流过滤结合，在<5min内同时完成DNA模板降解、碎片去除和缓冲液置换，膜可重复使用5次以上，避免了游离酶残留和额外孵育步骤。
🔵采用Python脚本协调泵阀，基于实时pH和电导率反馈实现柱平衡、上样、洗涤、洗脱的条件步进切换（而非固定计时器），使MMC回收率达93.3%，并显著缩短循环时间，提高纯化重现性。
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研究图文解析
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图1展示了集成化微流控平台的总体架构与Os(IVT)模块的工作原理。整个端到端流程包含Os(IVT)合成、μFD消化/澄清、MMC捕获纯化及HF-TFF浓缩四个单元；Os(IVT)通过将IVT反应液与空气隔片分段组装成塞状流，在毛细管反应器中反复双向振荡并流经蛇形微混合器，实现了高效混合与精准停留时间控制。
图2验证了μFD模块的DNA模板消化性能。将含DNA模板或粗IVT混合物在PES-Pdop-DNase I膜上循环三次，琼脂糖凝胶电泳显示模板DNA被完全降解并去除，而全长mRNA保留在截留液中；该生物催化膜在五次连续运行后仍保持98%的初始消化效率，展示了优异的可重复使用性。
图3展示了下游自动纯化模块。MMC单元在Python控制下利用在线pH和电导率传感器实现上样、洗涤、洗脱的事件驱动切换，优化后mRNA回收率达93.3%；HF-TFF模块用于最终浓缩与缓冲液置换，整个下游流程在自动化条件下完成，减少了人工干预。
图4为集成平台的照片标注，显示了多路阀泵、IVT反应区、光谱仪、μFD单元、MMC柱、缓冲液组、HF-TFF泵等组件的位置，以及模块间通过GMP兼容快接端口实现的硬连接，确保样品流路的封闭和无缝传递。
图5比较了不同工作流程所得mRNA的质量与功能。毛细管电泳和变性凝胶电泳表明，集成[Os(IVT)-μFD-MMC]流程产生单一全长~2 kb条带，而批次流程存在截短副产物；ELISA和点杂交显示集成平台将dsRNA杂质从8-12ng/μg mRNA降至<3ng/μg；HeLa细胞转染实验证明集成平台mRNA的荧光素酶表达量显著高于批次流程，且对修饰核苷酸（M1、M2）同样有效。
图6总结了集成平台的操作时序与生产力。端到端总处理时间约2h，而常规批次需6h；单次产率1275±1.7μg（纯度A260/230=2.26），相对于全批次基准（641μg）提升约2倍；模块化设计支持通过延长运行时间或并行化实现规模放大。
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总结与展望
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本文成功构建了首个端到端自动化微流控mRNA合成与纯化平台，将振荡流IVT、酶膜消化/澄清及传感器引导的多模态色谱集成为准连续工作流，在2h内获得约1.28 mg高纯度、低dsRNA杂质且翻译活性显著增强的mRNA。
未来可通过通道并行化实现规模放大，结合在线分析工具与人工智能实现自适应过程控制，并将平台拓展至自扩增mRNA、环状RNA等新型RNA模式的快速制造，为个性化疫苗和精准医疗的按需生产提供灵活、紧凑的解决方案。
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