在 一篇新论文 在日记中 美国国家科学院院刊施密特和项目团队描述了他们的系统，该系统结合了光流控和纳米孔技术来创建芯片实验室诊断系统。 该团队在动物模型上的成功让他们希望这项技术能够成为未来快速诊断的重大创新。
“这可能会成为下一个大型诊断系统，”杨百翰大学电气与计算机工程教授、该论文的资深作者亚伦·霍金斯说。 “你生病了，你去医院或医生，他们的测试依赖于这项技术。 有一条路径可以在那里安装 [in a hospital or clinic]这样您就不必等待就可以得到结果。”
这项研究是施密特、霍金斯和德克萨斯生物医学研究所的吉恩·帕特森教授长期合作的结果。
测试更快、更准确
虽然 PCR 检测目前是病毒学检测准确性的黄金标准，但该方法在几个方面存在缺陷。 PCR 测试非常复杂，需要由熟练的操作员（通常在中心实验室）进行化学反应，有时需要几天时间才能得到测试结果。 这些复杂的反应是病毒 DNA 或 RNA 扩增所必需的，这是一个制造遗传物质多个副本的过程，可能会引入和放大错误。
PCR 检测也只能检测核酸，即构成 DNA 和 RNA 的物质。 但对于某些疾病，检测蛋白质等其他生物标志物可能非常有用。
新的诊断工具解决了这两个问题。 它几乎不需要样品制备，并且完全无需扩增和标记，后者意味着它不使用光来识别生物标志物。 这极大地减少了诊断过程的时间和复杂性。
“潜力是巨大的，”帕特森说。 “无需进行扩增即可获得准确结果的想法是一个巨大的进步，就像 PCR 出现时令人难以置信的进步一样。”
诊断设计
新的诊断系统结合了施密特在光流控领域的专业知识，即用光束控制微量流体，以及用于计数单个核酸以读取遗传物质的纳米孔。 该工具旨在测试 Zika 和 COVID-19 病毒，这些病毒近年来在医学上特别重要，也是资助这项研究的美国国立卫生研究院的优先领域。
“我们建立了一个简单的芯片实验室系统，可以在微流体、硅芯片和纳米孔检测技术的帮助下进行微型水平的测试，”施密特的研究生、该论文的第一作者 Mohammad Julker Neyen Sampad 说道。作者。 “简单、容易、低资源的工具开发是我们的目标——我相信我们已经实现了。”
为了进行测试，将生物流体样本与磁性微珠混合在容器中。 在这项研究中，研究人员使用了德克萨斯生物医学研究所的狒狒和狨猴的生物体液，包括唾液和血液。
微珠的设计与测试所要检测的疾病的 RNA 序列相匹配。 例如，如果是 COVID-19 检测测试，微珠上将带有 SARS-CoV-2 RNA 链。 如果样本中存在 SARS-CoV-2 病毒，该病毒的 RNA 将与珠子结合。 经过短暂的等待后，研究人员将磁珠拉到容器底部，并洗掉其他所有东西。
这些珠子被放入由霍金斯小组设计和制造的硅微流体芯片中，它们流过一个由超薄膜覆盖的细长通道，霍金斯称这种设计为“工程奇迹”。 这些珠子被光束捕获，将它们推向通道的壁，通道中包含一个纳米孔，一个直径仅为 20 纳米的微小开口，作为比较，人类的头发宽度约为 80,000 – 100,000 纳米。
研究人员对芯片加热，使 RNA 颗粒从珠子上脱落并被吸入纳米孔中，从而检测到病毒 RNA 的存在。
有希望的结果
他们的试验表明，即使病毒浓度极低，该测试也能正确检测出 PCR 检测能够检测到的每个样本中的病毒。 在某些情况下，PCR 测试无法检测出其中一种病毒的病例，而施密特的系统却可以检测到，这表明他们的系统比 PCR 更准确。
总体而言，微流控系统比 PCR 机小得多，复杂性也低得多。 如果这一概念作为产品推向市场，其紧凑的尺寸可以轻松放入研究人员的实验室，从而更快地获得病毒学测试结果，提高测试的可及性，并将获得结果的时间从几天缩短到几小时。
“如果我们用这个系统构建一个仪器，研究人员就可以在生物安全 4 级实验室中使用它，它永远不会离开房间，你只需滴入一点样品液体，然后在一小时内运行测试，”施密特说道。 “我认为这将有助于加快测试速度。”
该测试使用了六种不同的生物流体，包括唾液、血液和咽拭子，它们可能含有不同的病毒载量。 这可以使研究人员更好地研究疾病如何通过不同动物的身体传播。
虽然目前阶段开发的测试是为了检测 SARS-CoV-2 和寨卡病毒，但研究人员可以进行调整，以找到他们拥有基因样本的任何病毒。 在未来的开发中，他们计划进一步简化和最小化系统，并使其能够同时测试多种类型的疾病，这一功能称为疾病多重检测。
施密特还打算利用这一概念来开发癌症生物标志物和其他在体内留下 DNA/RNA 或蛋白质痕迹的健康状况的诊断工具。 这个概念可能需要几年的时间才能商业化并推向市场。
2024-04-10 21:18:27
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