近日，加利福尼亞大學圣克魯斯分校（UC Santa Cruz）和布里格姆揚大學（Brigham Young University）的研究團隊領導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)將光流體學與納米孔技術相結(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行SARS-CoV-2和寨卡病毒檢測，其準確度相當于或甚至高于高精度PCR。

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

這項新技術是Hawkins、加利福尼亞大學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《美國國家科學院院刊》上發(fā)表的報告標題為“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記和無擴增病毒RNA進行定量”的論文中總結(jié)道：“無標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)和其他靶標分子診斷方法……這些設備可以用作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域的應用?！?/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，這導致了對快速、準確診斷的需求。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檢測仍然是病毒學測試的準確性金標準，但該方法在多個方面存在不足?！癙CR復雜，需要昂貴的試劑、中心實驗室基礎設施和經(jīng)過良好培訓的人員，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反應需要對病毒DNA或RNA進行擴增，這是一種制造基因物質(zhì)多個復制品的過程，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相關缺陷的診斷工具。這項新技術需要很少的樣本準備，無需擴增和標記——因此不使用光來識別生物標志物。團隊相信，這些特點極大地簡化了診斷過程的時間和復雜性?！斑@個潛力是巨大的，”Patterson說。“你不需要擴增就能得到準確的結(jié)果的這個想法是一個巨大的進步，與PCR問世時的重大進步相媲美?！?/p>

這種新診斷系統(tǒng)結(jié)合了Schmidt在光流體學領域的專長，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)先領域。

“我們構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，可以在微型水平上進行測試，”Schmidt的研究生Mohammad Julker Neyen Sampad說道，“我們的目標是簡單、易用、低成本的工具開發(fā)，我相信我們已經(jīng)做到了。”

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。

這些微珠設計有與測試設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小組設計和制造的硅微流體芯片中，其中它們流經(jīng)一條長而細的通道，通道被一層超薄膜覆蓋，Hawkins稱其為“工程奇跡”的設計。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更準確。“……我們發(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。“將這種光流體-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研究人員的實驗室，從而加快病毒學測試的結(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為這將有助于加快測試速度?！?/p>

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，該團隊計劃進一步簡化系統(tǒng)，并開發(fā)技術以實現(xiàn)多重檢測，使其能夠同時檢測多種疾病?！霸谖磥恚摐y定法的樣品準備步驟可以進一步簡化和微型化，”該團隊寫道?！按送?，該方法可以通過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?，這項工作指引著一類高性能、低到中等復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志物診斷的獨特范式，以及動物模型開發(fā)和其他應用的研究工具基礎，”該團隊總結(jié)道。

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

編輯：周敏

排版：李麗