
研究者開發(fā)了一款能夠快速檢測血樣中的病原 RNA 或 DNA 的芯片。
來自美國的一組生物物理學(xué)家和生物工程師開發(fā)了一款成本僅 10 美元、能夠快速檢測血樣中的病原 RNA 或 DNA 的自驅(qū)動(dòng)微流控芯片。這種基于芯片的檢測方法比當(dāng)前常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室檢測要廉價(jià)快捷得多,尤其適合在低收入地區(qū)使用。研究人員表示,這可能為每個(gè)人打開一扇通往平價(jià)預(yù)防性醫(yī)療服務(wù)的大門。
許多研究者對開發(fā)低成本、便攜式的核酸(RNA 和 DNA)檢測技術(shù)感興趣,因?yàn)檫@一技術(shù)可用于重大疾病診斷,并有望為預(yù)防醫(yī)學(xué)帶來革命性的突破。目前對核酸進(jìn)行擴(kuò)增和檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法是基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)。這一技術(shù)十分昂貴,需要訓(xùn)練有素的操作人員、步驟繁多的樣品制備工序,并依賴于需要外部能源的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備如離心機(jī)等。這些條件使得基于 PCR 的檢測技術(shù)在家或小診所等物資缺乏的環(huán)境中難以應(yīng)用。
盡管某些簡單的即時(shí)檢驗(yàn)(point-of-care tests,簡稱 POCT,在發(fā)病或發(fā)生事故的地點(diǎn)進(jìn)行診斷、監(jiān)控和治療并能快速獲得檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理)目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn),但是其檢測的是蛋白質(zhì)生物標(biāo)記物,并且靈敏度較低。這就意味著病人往往在發(fā)病后才會(huì)去做檢查,從而大大降低了預(yù)防性治療的可能性!艾F(xiàn)在是時(shí)候使用基于循環(huán)核酸的高靈敏度定量分子檢測技術(shù)了”,加州大學(xué)伯克利分校的生物物理學(xué)家及生物工程師 Luke Lee 解釋道:“這些技術(shù)能夠及早發(fā)現(xiàn)疾病,而不僅僅是確診”
在一篇近期發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)的文章中,Lee 和同事們展示了一種不需要任何預(yù)處理就可以快速檢測血樣中的核酸的芯片。這一被命名為“SIMPLE(簡單)”的芯片使用了“真空電池”,可以驅(qū)動(dòng)微流控系統(tǒng)從全血中自動(dòng)分離血漿。血漿隨后被引流至 224 個(gè)極小的“微井”中。這一步驟替代了在傳統(tǒng)的基于 PCR 的檢測技術(shù)中用到的離心以及其他的樣品制備工序。
這種芯片是由一種聚合物(PDMS,聚二甲硅氧烷)制成,并分為兩部分。芯片中的血液檢測部分包含一系列的通道和微井,而真空電池部分則密布著管道和供空氣通過的空隙。這兩個(gè)部分基本上互為鏡像,之間用 PDMS 分隔開。PDMS 所具有的納米孔結(jié)構(gòu)能夠讓空氣通過,而血液和其他液體則不能。
芯片構(gòu)建完成后,其內(nèi)部的氣體被排空并且密封在真空袋中。準(zhǔn)備使用時(shí),先要將血液樣本和生物標(biāo)記物混合,讓標(biāo)記物與待檢測的核酸反應(yīng),再打開真空袋將一滴混合后的液體置于芯片上。系統(tǒng)內(nèi)的低壓使得空氣重新充滿整個(gè)芯片,同時(shí)也將血樣“泵”到了芯片中。
血液樣品流經(jīng)的主通道和“微井”之間由 40 微米的“微壁”隔開。在通道中血細(xì)胞由于沉降落到底部,而血漿則不斷上升并越過“微壁”進(jìn)入到“微井”中。
“微井”填滿后,就要將芯片放置在一個(gè)簡易的加熱包中,并隨即觸發(fā)血漿中核酸的擴(kuò)增反應(yīng)。擴(kuò)增過程由一個(gè)包埋在“微井”中的醋酸鎂啟動(dòng)因子驅(qū)動(dòng)。一旦目標(biāo)核酸真的存在于血漿中,那么和血樣一起加入的生物標(biāo)記物就會(huì)變色或者發(fā)出熒光。目標(biāo)核酸越多,參與反應(yīng)的生物標(biāo)記物就越多,這樣就得到了“陽性”結(jié)果。
這種芯片能在 30 分鐘內(nèi)檢測出 HIV 和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌,而且分析表明分離到“微井”中的血清質(zhì)量并不比通過離心得來的差。據(jù)研究人員透露,芯片成本不到 10 美元,大規(guī)模生產(chǎn)后成本還可以更低。
Lee 還表示,除了能夠?qū)崿F(xiàn)更靈敏、更廉價(jià)的 PCR 檢測,這款芯片還能用于多種疾病的快速檢驗(yàn)。研究小組下一步打算將生物標(biāo)記物裝入“微井”中,這樣就不用提前和血樣進(jìn)行混合了。 可以想象,在未來,不同的生物標(biāo)記物被分別置于不同的“微井”中;通過分析疾病特有的標(biāo)識(shí)物,僅用一滴血就可以檢測不同的病癥,包括傳染病、癌癥、神經(jīng)障礙等一切能夠產(chǎn)生特異性 DNA 的疾病。
Lee 的終極目標(biāo)是發(fā)明一款任何人都能操作的血液分析芯片,只需要在手指上輕輕扎一下就可以采集到足夠的血液樣本!盀槭裁次覀儾话l(fā)明一種全自動(dòng)且價(jià)格低廉的集成芯片呢?這樣,任何人都可以每周或每月觀察一下他們體內(nèi)各種生物指標(biāo)的變化,然后據(jù)此調(diào)整自己的生活習(xí)慣!
為了進(jìn)一步開發(fā)和測試“SIMPLE”芯片以及其他類似的低成本醫(yī)療技術(shù),Lee 已經(jīng)在新加坡政府的支持下在新加坡國立大學(xué)建立了一個(gè)研究所(Biomedical Institute for Global Health Research and Technology)。他非常希望能有更多的物理學(xué)者投入到生物醫(yī)學(xué)研究中來。他表示:“作為一名物理學(xué)家,我向全世界的物理學(xué)家們發(fā)出邀請,希望你們能夠參與到這類生物醫(yī)學(xué)儀器的研發(fā)中,因?yàn)閷⑽锢碇R(shí)應(yīng)用在這一領(lǐng)域可以大有作為!
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