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(yáng)大學(xué)（Brigham Young University）的研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報(bào)告了他們開發(fā)的一種實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)生物流體（如尿液、全血和喉拭子）中病毒RNA的無(wú)標(biāo)記和無(wú)擴(kuò)增量化檢測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)展示了該平臺(tái)可在幾小時(shí)內(nèi)使用來自靈長(zhǎng)類動(dòng)物的樣本進(jìn)行SARS-CoV-2和寨卡病毒檢測(cè)，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(xiàng)技術(shù)能成為未來快速診斷的重大創(chuàng)新。“這可能會(huì)成為下一個(gè)重要的診斷系統(tǒng)，”布里格姆揚(yáng)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Aaron Hawkins博士說道?！爱?dāng)你生病時(shí)，你去醫(yī)院或醫(yī)生那里，他們的測(cè)試依賴于這項(xiàng)技術(shù)。有可能這項(xiàng)技術(shù)會(huì)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(xiàng)新技術(shù)是Hawkins、加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校電氣與計(jì)算機(jī)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(zhǎng)期合作的結(jié)果。團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的報(bào)告標(biāo)題為“利用輔助捕獲的光流體納米孔平臺(tái)對(duì)靈長(zhǎng)類生物流體中的無(wú)標(biāo)記和無(wú)擴(kuò)增病毒RNA進(jìn)行定量”的論文中總結(jié)道：“無(wú)標(biāo)記和無(wú)擴(kuò)增的納米孔測(cè)定法的多功能性、性能、簡(jiǎn)單性以及全微流控集成的潛力指向了一種獨(dú)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(dòng)物模型開發(fā)的研究工具以及許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用?！?/p>

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(duì)快速、準(zhǔn)確診斷的需求。然而，現(xiàn)有的廉價(jià)抗原檢測(cè)試劑盒，如酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA），雖然適用于POC使用，但在生物標(biāo)志物濃度較低時(shí)敏感性和可靠性較差。PCR檢測(cè)仍然是病毒學(xué)測(cè)試的準(zhǔn)確性金標(biāo)準(zhǔn)，但該方法在多個(gè)方面存在不足?！癙CR復(fù)雜，需要昂貴的試劑、中心實(shí)驗(yàn)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(shí)，需要幾天才能獲得測(cè)試結(jié)果。

PCR反應(yīng)需要對(duì)病毒DNA或RNA進(jìn)行擴(kuò)增，這是一種制造基因物質(zhì)多個(gè)復(fù)制品的過程，可能引入和放大錯(cuò)誤。此外，PCR測(cè)試只能檢測(cè)核酸，而對(duì)于某些疾病，檢測(cè)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(tuán)隊(duì)現(xiàn)在開發(fā)了一種解決PCR相關(guān)缺陷的診斷工具。這項(xiàng)新技術(shù)需要很少的樣本準(zhǔn)備，無(wú)需擴(kuò)增和標(biāo)記——因此不使用光來識(shí)別生物標(biāo)志物。團(tuán)隊(duì)相信，這些特點(diǎn)極大地簡(jiǎn)化了診斷過程的時(shí)間和復(fù)雜性?！斑@個(gè)潛力是巨大的，”Patterson說?！澳悴恍枰獢U(kuò)增就能得到準(zhǔn)確的結(jié)果的這個(gè)想法是一個(gè)巨大的進(jìn)步，與PCR問世時(shí)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(zhǎng)，即通過光束控制微量液體，以及用于計(jì)數(shù)單個(gè)核酸的納米孔來讀取遺傳物質(zhì)。該工具旨在檢測(cè)寨卡病毒和SARS-CoV-2，這是美國(guó)國(guó)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(gè)簡(jiǎn)單的微流體芯片系統(tǒng)，借助微流控、硅片和納米孔檢測(cè)技術(shù)，可以在微型水平上進(jìn)行測(cè)試，”Schmidt的研究生Mohammad Julker Neyen Sampad說道，“我們的目標(biāo)是簡(jiǎn)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(yùn)行測(cè)試，將生物流體樣品與磁性微珠混合在一個(gè)容器中。在這項(xiàng)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(zhǎng)類動(dòng)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(jì)有與測(cè)試設(shè)計(jì)用于檢測(cè)的疾病相匹配的RNA序列。因此，對(duì)于COVID-19檢測(cè)，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(jì)和制造的硅微流體芯片中，其中它們流經(jīng)一條長(zhǎng)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(jì)。這些微珠被困在一個(gè)光束中，將它們推向通道內(nèi)的墻壁，通道中包含一個(gè)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(cè)到病毒RNA的存在。

團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)表明，該測(cè)試正確檢測(cè)到了PCR測(cè)試也能夠檢測(cè)到的每個(gè)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(cè)試能夠檢測(cè)到PCR測(cè)試無(wú)法檢測(cè)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(yáng)性樣本產(chǎn)生定性和定量一致，并且能夠?yàn)槎鄠€(gè)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(píng)論道。

該測(cè)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(dòng)物體內(nèi)傳播?！皩⑦@種光流體-納米孔平臺(tái)納入一項(xiàng)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(cè)研究中，展示了該測(cè)定法的多功能性，為無(wú)需核酸測(cè)序和擴(kuò)增的臨床樣本固態(tài)納米孔基分子診斷開辟了一條獨(dú)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(jī)器復(fù)雜得多。如果將這一概念作為產(chǎn)品推向市場(chǎng)，其緊湊的尺寸可以輕松適應(yīng)研究人員的實(shí)驗(yàn)室，從而加快病毒學(xué)測(cè)試的結(jié)果速度，提高測(cè)試的可及性，并將測(cè)試結(jié)果時(shí)間從幾天縮短到幾小時(shí)。“如果我們將這個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建成一種儀器，研究人員可以將其放在四級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室中，從不離開房間，你只需要放入少量樣品液體，一個(gè)小時(shí)就可以完成測(cè)試，”Schmidt說道?！拔艺J(rèn)為這將有助于加快測(cè)試速度?！?/p>

在他們的報(bào)告研究中，研究人員開發(fā)了檢測(cè)SARS-CoV-2和寨卡病毒的測(cè)試，但實(shí)際上它可以被設(shè)計(jì)成檢測(cè)任何存在遺傳樣本的病毒。在未來的發(fā)展中，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)，并開發(fā)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)多重檢測(cè)，使其能夠同時(shí)檢測(cè)多種疾病?！霸谖磥?，該測(cè)定法的樣品準(zhǔn)備步驟可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化和微型化，”該團(tuán)隊(duì)寫道?！按送?，該方法可以通過各種策略擴(kuò)展到多重分析?！盨chmidt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?！翱傊?，這項(xiàng)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(dú)特范式，以及動(dòng)物模型開發(fā)和其他應(yīng)用的研究工具基礎(chǔ)，”該團(tuán)隊(duì)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