近日，加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校（UC Santa Cruz）和布里格姆揚大學(xué)（Brigham Young University）的研究團隊領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報告了他們開發(fā)的一種實驗室芯片診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光流體學(xué)與納米孔技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對生物流體（如尿液、全血和喉拭子）中病毒RNA的無標(biāo)記和無擴增量化檢測。研究團隊展示了該平臺可在幾小時內(nèi)使用來自靈長類動物的樣本進(jìn)行SARS-CoV-2和寨卡病毒檢測，其準(zhǔn)確度相當(dāng)于或甚至高于高精度PCR。

研究人員希望這項技術(shù)能成為未來快速診斷的重大創(chuàng)新?！斑@可能會成為下一個重要的診斷系統(tǒng)，”布里格姆揚大學(xué)電氣與計算機工程教授Aaron Hawkins博士說道?！爱?dāng)你生病時，你去醫(yī)院或醫(yī)生那里，他們的測試依賴于這項技術(shù)。有可能這項技術(shù)會被安裝在醫(yī)院或診所中，這樣你就不必等待結(jié)果了。”

這項新技術(shù)是Hawkins、加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校電氣與計算機工程杰出教授Holger Schmidt以及德克薩斯生物醫(yī)學(xué)研究所（Texas Biomedical Research Institute）的Jean Patterson博士之間長期合作的結(jié)果。團隊在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的報告標(biāo)題為“利用輔助捕獲的光流體納米孔平臺對靈長類生物流體中的無標(biāo)記和無擴增病毒RNA進(jìn)行定量”的論文中總結(jié)道：“無標(biāo)記和無擴增的納米孔測定法的多功能性、性能、簡單性以及全微流控集成的潛力指向了一種獨特的核酸、蛋白質(zhì)和其他靶標(biāo)分子診斷方法……這些設(shè)備可以用作POC診斷、協(xié)助動物模型開發(fā)的研究工具以及許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用。”

作者寫道，近幾十年來出現(xiàn)了多次病毒大流行，包括豬流感、埃博拉、寨卡和COVID-19，這導(dǎo)致了對快速、準(zhǔn)確診斷的需求。然而，現(xiàn)有的廉價抗原檢測試劑盒，如酶聯(lián)免疫吸附試驗（ELISA），雖然適用于POC使用，但在生物標(biāo)志物濃度較低時敏感性和可靠性較差。PCR檢測仍然是病毒學(xué)測試的準(zhǔn)確性金標(biāo)準(zhǔn)，但該方法在多個方面存在不足?！癙CR復(fù)雜，需要昂貴的試劑、中心實驗室基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)過良好培訓(xùn)的人員，因此不適用于低資源環(huán)境，”研究人員指出。有時，需要幾天才能獲得測試結(jié)果。

PCR反應(yīng)需要對病毒DNA或RNA進(jìn)行擴增，這是一種制造基因物質(zhì)多個復(fù)制品的過程，可能引入和放大錯誤。此外，PCR測試只能檢測核酸，而對于某些疾病，檢測其他生物標(biāo)志物（如蛋白質(zhì)）可能也很有用。

Schmidt、Hawkins和Patterson及其團隊現(xiàn)在開發(fā)了一種解決PCR相關(guān)缺陷的診斷工具。這項新技術(shù)需要很少的樣本準(zhǔn)備，無需擴增和標(biāo)記——因此不使用光來識別生物標(biāo)志物。團隊相信，這些特點極大地簡化了診斷過程的時間和復(fù)雜性?！斑@個潛力是巨大的，”Patterson說。“你不需要擴增就能得到準(zhǔn)確的結(jié)果的這個想法是一個巨大的進(jìn)步，與PCR問世時的重大進(jìn)步相媲美?！?/p>

這種新診斷系統(tǒng)結(jié)合了Schmidt在光流體學(xué)領(lǐng)域的專長，即通過光束控制微量液體，以及用于計數(shù)單個核酸的納米孔來讀取遺傳物質(zhì)。該工具旨在檢測寨卡病毒和SARS-CoV-2，這是美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）資助的研究的優(yōu)先領(lǐng)域。

“我們構(gòu)建了一個簡單的微流體芯片系統(tǒng)，借助微流控、硅片和納米孔檢測技術(shù)，可以在微型水平上進(jìn)行測試，”Schmidt的研究生Mohammad Julker Neyen Sampad說道，“我們的目標(biāo)是簡單、易用、低成本的工具開發(fā)，我相信我們已經(jīng)做到了?！?/p>

要運行測試，將生物流體樣品與磁性微珠混合在一個容器中。在這項研究中，研究人員使用了德克薩斯生物醫(yī)學(xué)研究所的靈長類動物（SARS-CoV-2）和卷尾猴（寨卡病毒）的唾液和血液等生物流體樣本。

這些微珠設(shè)計有與測試設(shè)計用于檢測的疾病相匹配的RNA序列。因此，對于COVID-19檢測，這些微珠上將有SARS-CoV-2 RNA鏈。如果樣品中存在SARS-CoV-2病毒，病毒的RNA將與微珠結(jié)合。等待片刻后，研究人員將磁珠拉到容器底部并清洗其他物質(zhì)。

將這些微珠放入由Hawkins小組設(shè)計和制造的硅微流體芯片中，其中它們流經(jīng)一條長而細(xì)的通道，通道被一層超薄膜覆蓋，Hawkins稱其為“工程奇跡”的設(shè)計。這些微珠被困在一個光束中，將它們推向通道內(nèi)的墻壁，通道中包含一個直徑僅為20納米的納米孔。相比之下，人類頭發(fā)約為80,000-100,000納米寬。研究人員加熱芯片，使RNA顆粒脫落并被吸入納米孔中，納米孔檢測到病毒RNA的存在。

團隊的試驗表明，該測試正確檢測到了PCR測試也能夠檢測到的每個樣本的病毒，即使病毒濃度極低也是如此。還有一些情況是新測試能夠檢測到PCR測試無法檢測到的病毒，顯示研究人員的系統(tǒng)甚至可能比PCR更準(zhǔn)確?！啊覀儼l(fā)現(xiàn)納米孔傳感器與所有PCR陽性樣本產(chǎn)生定性和定量一致，并且能夠為多個未產(chǎn)生PCR結(jié)果的樣本提供病毒載量讀數(shù)，這可能是由于該方法的復(fù)雜性，”作者評論道。

該測試使用了六種不同的生物流體，包括唾液、血液和喉拭子，這些樣品可能含有不同的病毒載量。這可以幫助研究人員更好地研究疾病如何在不同動物體內(nèi)傳播?！皩⑦@種光流體-納米孔平臺納入一項包括兩種致命病毒感染（即寨卡和SARS-CoV-2）和六種不同類型生物流體的縱向病毒載量監(jiān)測研究中，展示了該測定法的多功能性，為無需核酸測序和擴增的臨床樣本固態(tài)納米孔基分子診斷開辟了一條獨特的途徑，”研究人員聲稱。

新的微流體系統(tǒng)除了體積更小外，還比PCR機器復(fù)雜得多。如果將這一概念作為產(chǎn)品推向市場，其緊湊的尺寸可以輕松適應(yīng)研究人員的實驗室，從而加快病毒學(xué)測試的結(jié)果速度，提高測試的可及性，并將測試結(jié)果時間從幾天縮短到幾小時?！叭绻覀儗⑦@個系統(tǒng)的構(gòu)建成一種儀器，研究人員可以將其放在四級生物安全實驗室中，從不離開房間，你只需要放入少量樣品液體，一個小時就可以完成測試，”Schmidt說道?！拔艺J(rèn)為這將有助于加快測試速度。”

在他們的報告研究中，研究人員開發(fā)了檢測SARS-CoV-2和寨卡病毒的測試，但實際上它可以被設(shè)計成檢測任何存在遺傳樣本的病毒。在未來的發(fā)展中，該團隊計劃進(jìn)一步簡化系統(tǒng)，并開發(fā)技術(shù)以實現(xiàn)多重檢測，使其能夠同時檢測多種疾病?！霸谖磥?，該測定法的樣品準(zhǔn)備步驟可以進(jìn)一步簡化和微型化，”該團隊寫道?！按送猓摲椒梢酝ㄟ^各種策略擴展到多重分析。”Schmidt打算使用相同的策略開發(fā)用于癌癥生物標(biāo)志物和其他在體內(nèi)留下DNA/RNA或蛋白質(zhì)痕跡的健康狀況的診斷工具。“總之，這項工作指引著一類高性能、低到中等復(fù)雜性的通用集成納米孔傳感器的發(fā)展方向……這些結(jié)果表明，光流體納米孔傳感器可以成為臨床生物標(biāo)志物診斷的獨特范式，以及動物模型開發(fā)和其他應(yīng)用的研究工具基礎(chǔ)，”該團隊總結(jié)道。

參考文獻(xiàn)：https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2400203121

編輯：周敏

排版：李麗