10美元檢測HIV和MRSA的微流控晶元

生物物理學家和生物工程師開發了一款成本僅10美元、能夠快速檢測血樣中的病原 RNA 或 DNA 的自驅動微流控晶元

作者 Michael Allen

翻譯 唐詩語

審校 LYW

來源 physicsworld.com

來自美國的一組生物物理學家和生物工程師開發了一款成本僅10美元、能夠快速檢測血樣中的病原 RNA 或 DNA 的自驅動微流控晶元。這種基於晶元的檢測方法比當前常規的實驗室檢測要廉價快捷得多，尤其適合在低收入地區使用。研究人員表示，這可能為每個人打開一扇通往平價預防性醫療服務的大門。

許多研究者對開發低成本、攜帶型的核酸（RNA和DNA）檢測技術感興趣，因為這一技術可用於重大疾病診斷，並有望為預防醫學帶來革命性的突破。目前對核酸進行擴增和檢測的標準方法是基於聚合酶鏈式反應（PCR）技術。這一技術十分昂貴，需要訓練有素的操作人員、步驟繁多的樣品製備工序，並依賴於需要外部能源的實驗室設備如離心機等。這些條件使得基於 PCR 的檢測技術在家或小診所等物資缺乏的環境中難以應用。

儘管某些簡單的即時檢驗（point-of-care tests，簡稱POCT，在發病或發生事故的地點進行診斷、監控和治療並能快速獲得檢驗結果進行處理）目前已經可以實現，但是其檢測的是蛋白質生物標記物，並且靈敏度較低。這就意味著病人往往在發病後才會去做檢查，從而大大降低了預防性治療的可能性。「現在是時候使用基於循環核酸的高靈敏度定量分子檢測技術了」，加州大學伯克利分校的生物物理學家及生物工程師 Luke Lee 解釋道：「這些技術能夠及早發現疾病，而不僅僅是確診」

在一篇近期發表於《科學進展》（Science Advances）的文章中，Lee 和同事們展示了一種不需要任何預處理就可以快速檢測血樣中的核酸的晶元。這一被命名為「SIMPLE（簡單）」的晶元使用了「真空電池」，可以驅動微流控系統從全血中自動分離血漿。血漿隨後被引流至224個極小的「微井」中。這一步驟替代了在傳統的基於PCR的檢測技術中用到的離心以及其他的樣品製備工序。

這種晶元是由一種聚合物（PDMS，聚二甲硅氧烷）製成，並分為兩部分。晶元中的血液檢測部分包含一系列的通道和微井，而真空電池部分則密布著管道和供空氣通過的空隙。這兩個部分基本上互為鏡像，之間用 PDMS 分隔開。PDMS 所具有的納米孔結構能夠讓空氣通過，而血液和其他液體則不能。

晶元構建完成後，其內部的氣體被排空並且密封在真空袋中。準備使用時，先要將血液樣本和生物標記物混合，讓標記物與待檢測的核酸反應，再打開真空袋將一滴混合後的液體置於晶元上。系統內的低壓使得空氣重新充滿整個晶元，同時也將血樣「泵」到了晶元中。

血液樣品流經的主通道和「微井」之間由40微米的「微壁」隔開。在通道中血細胞由於沉降落到底部，而血漿則不斷上升並越過「微壁」進入到「微井」中。

「微井」填滿後，就要將晶元放置在一個簡易的加熱包中，並隨即觸發血漿中核酸的擴增反應。擴增過程由一個包埋在「微井」中的醋酸鎂啟動因子驅動。一旦目標核酸真的存在於血漿中，那麼和血樣一起加入的生物標記物就會變色或者發出熒光。目標核酸越多，參與反應的生物標記物就越多，這樣就得到了「陽性」結果。

這種晶元能在30分鐘內檢測出 HIV 和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，而且分析表明分離到「微井」中的血清質量並不比通過離心得來的差。據研究人員透露，晶元成本不到10美元，大規模生產後成本還可以更低。

Lee 還表示，除了能夠實現更靈敏、更廉價的PCR檢測，這款晶元還能用於多種疾病的快速檢驗。研究小組下一步打算將生物標記物裝入「微井」中，這樣就不用提前和血樣進行混合了。 可以想像，在未來，不同的生物標記物被分別置於不同的「微井」中；通過分析疾病特有的標識物，僅用一滴血就可以檢測不同的病症，包括傳染病、癌症、神經障礙等一切能夠產生特異性 DNA 的疾病。

Lee 的終極目標是發明一款任何人都能操作的血液分析晶元，只需要在手指上輕輕扎一下就可以採集到足夠的血液樣本。「為什麼我們不發明一種全自動且價格低廉的集成晶元呢？這樣，任何人都可以每周或每月觀察一下他們體內各種生物指標的變化，然後據此調整自己的生活習慣。」

為了進一步開發和測試「SIMPLE」晶元以及其他類似的低成本醫療技術，Lee 已經在新加坡政府的支持下在新加坡國立大學建立了一個研究所（Biomedical Institute for Global Health Research and Technology）。他非常希望能有更多的物理學者投入到生物醫學研究中來。他表示：「作為一名物理學家，我向全世界的物理學家們發出邀請，希望你們能夠參與到這類生物醫學儀器的研發中，因為將物理知識應用在這一領域可以大有作為。」

論文信息

題目Self-powered integrated microfluidic point-of-care low-cost enabling (SIMPLE) chip

期刊Science Advances

作者Erh-Chia Yeh et al.

DOI10.1126/sciadv.1501645

摘要Portable, low-cost, and quantitative nucleic acid detection is desirable for point-of-care diagnostics; however, current polymerase chain reaction testing often requires time-consuming multiple steps and costly equipment. We report an integrated microfluidic diagnostic device capable of on-site quantitative nucleic acid detection directly from the blood without separate sample preparation steps. First, we prepatterned the amplification initiator [magnesium acetate (MgOAc)] on the chip to enable digital nucleic acid amplification. Second, a simplified sample preparation step is demonstrated, where the plasma is separated autonomously into 224 microwells (100 nl per well) without any hemolysis. Furthermore, self-powered microfluidic pumping without any external pumps, controllers, or power sources is accomplished by an integrated vacuum battery on the chip. This simple chip allows rapid quantitative digital nucleic acid detection directly from human blood samples (10 to 105 copies of methicillin-resistant Staphylococcus aureus DNA per microliter, ~30 min, via isothermal recombinase polymerase amplification). These autonomous, portable, lab-on-chip technologies provide promising foundations for future low-cost molecular diagnostic assays.

鏈接http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1501645.full

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