生物物理学家和生物工程师开发了一款成本仅10美元、能够快速检测血样中的病原 RNA 或 DNA 的自驱动微流控芯片
作者 Michael Allen
翻译 唐诗语
审校 LYW
来源 physicsworld.com
来自美国的一组生物物理学家和生物工程师开发了一款成本仅10美元、能够快速检测血样中的病原 RNA 或 DNA 的自驱动微流控芯片。这种基于芯片的检测方法比当前常规的实验室检测要廉价快捷得多，尤其适合在低收入地区使用。研究人员表示，这可能为每个人打开一扇通往平价预防性医疗服务的大门。
许多研究者对开发低成本、便携式的核酸（RNA和DNA）检测技术感兴趣，因为这一技术可用于重大疾病诊断，并有望为预防医学带来革命性的突破。目前对核酸进行扩增和检测的标准方法是基于聚合酶链式反应（PCR）技术。这一技术十分昂贵，需要训练有素的操作人员、步骤繁多的样品制备工序，并依赖于需要外部能源的实验室设备如离心机等。这些条件使得基于 PCR 的检测技术在家或小诊所等物资缺乏的环境中难以应用。
尽管某些简单的即时检验（point-of-care tests，简称POCT，在发病或发生事故的地点进行诊断、监控和治疗并能快速获得检验结果进行处理）目前已经可以实现，但是其检测的是蛋白质生物标记物，并且灵敏度较低。这就意味着病人往往在发病后才会去做检查，从而大大降低了预防性治疗的可能性。“现在是时候使用基于循环核酸的高灵敏度定量分子检测技术了”，加州大学伯克利分校的生物物理学家及生物工程师 Luke Lee 解释道：“这些技术能够及早发现疾病，而不仅仅是确诊”
在一篇近期发表于《科学进展》（Science Advances）的文章中，Lee 和同事们展示了一种不需要任何预处理就可以快速检测血样中的核酸的芯片。这一被命名为“SIMPLE（简单）”的芯片使用了“真空电池”，可以驱动微流控系统从全血中自动分离血浆。血浆随后被引流至224个极小的“微井”中。这一步骤替代了在传统的基于PCR的检测技术中用到的离心以及其他的样品制备工序。
这种芯片是由一种聚合物（PDMS，聚二甲硅氧烷）制成，并分为两部分。芯片中的血液检测部分包含一系列的通道和微井，而真空电池部分则密布着管道和供空气通过的空隙。这两个部分基本上互为镜像，之间用 PDMS 分隔开。PDMS 所具有的纳米孔结构能够让空气通过，而血液和其他液体则不能。
芯片构建完成后，其内部的气体被排空并且密封在真空袋中。准备使用时，先要将血液样本和生物标记物混合，让标记物与待检测的核酸反应，再打开真空袋将一滴混合后的液体置于芯片上。系统内的低压使得空气重新充满整个芯片，同时也将血样“泵”到了芯片中。
血液样品流经的主通道和“微井”之间由40微米的“微壁”隔开。在通道中血细胞由于沉降落到底部，而血浆则不断上升并越过“微壁”进入到“微井”中。
“微井”填满后，就要将芯片放置在一个简易的加热包中，并随即触发血浆中核酸的扩增反应。扩增过程由一个包埋在“微井”中的醋酸镁启动因子驱动。一旦目标核酸真的存在于血浆中，那么和血样一起加入的生物标记物就会变色或者发出荧光。目标核酸越多，参与反应的生物标记物就越多，这样就得到了“阳性”结果。
这种芯片能在30分钟内检测出 HIV 和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，而且分析表明分离到“微井”中的血清质量并不比通过离心得来的差。据研究人员透露，芯片成本不到10美元，大规模生产后成本还可以更低。
Lee 还表示，除了能够实现更灵敏、更廉价的PCR检测，这款芯片还能用于多种疾病的快速检验。研究小组下一步打算将生物标记物装入“微井”中，这样就不用提前和血样进行混合了。 可以想象，在未来，不同的生物标记物被分别置于不同的“微井”中；通过分析疾病特有的标识物，仅用一滴血就可以检测不同的病症，包括传染病、癌症、神经障碍等一切能够产生特异性 DNA 的疾病。
Lee 的终极目标是发明一款任何人都能操作的血液分析芯片，只需要在手指上轻轻扎一下就可以采集到足够的血液样本。“为什么我们不发明一种全自动且价格低廉的集成芯片呢？这样，任何人都可以每周或每月观察一下他们体内各种生物指标的变化，然后据此调整自己的生活习惯。”
为了进一步开发和测试“SIMPLE”芯片以及其他类似的低成本医疗技术，Lee 已经在新加坡政府的支持下在新加坡国立大学建立了一个研究所（Biomedical Institute for Global Health Research and Technology）。他非常希望能有更多的物理学者投入到生物医学研究中来。他表示：“作为一名物理学家，我向全世界的物理学家们发出邀请，希望你们能够参与到这类生物医学仪器的研发中，因为将物理知识应用在这一领域可以大有作为。”
论文信息
题目 Self-powered integrated microfluidic point-of-care low-cost enabling (SIMPLE) chip
期刊 Science Advances
作者 Erh-Chia Yeh et al.
DOI 10.1126/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.
链接 http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1501645.full
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