2019年底，由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）感染导致的2019冠状病毒病（COVID-19）爆发，给全球医疗系统带来了巨大挑战。这次大流行突显了医疗预防措施，特别是持续的病原体监测和及时的检疫措施在遏制传染病传播上的重要性。
据麦姆斯咨询报道，为应对上述挑战，来自西北工业大学和捷克共和国布尔诺孟德尔大学（Mendel University in Brno）的研究人员开发了一种用于COVID-19诊断的快速、多功能、低成本的“样本到答案（sample-to-answer）”系统。该系统集成了核酸提取和纯化功能，并能够通过反转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）或反转录环介导等温扩增（RT-LAMP）进行核酸扩增。与美国食品药品监督管理局（FDA）批准的用于COVID-19诊断的市售“样本到答案”系统相比，该系统可以根据诊断和试剂要求同时采用PCR和LAMP方法，凸显了其在即时诊断（POCT）应用中的多功能性。相关研究成果以“An integrated microfluidic platform for nucleic acid testing”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
用于RNA检测的微流控诊断系统：从样本采集到结果显示的工作流程
微流控系统设置
研究人员开发的微流控诊断系统由一个“样本到答案”芯片、一个温度控制模块和一个光学检测模块组成。内置固件的单芯片控制器可以控制系统的所有操作，包括磁铁运动、温度控制和荧光检测。用户可以通过POCT装置上的四个按钮对所有操作步骤进行编程，还可以通过旋转轮手动控制磁铁位置。为了更加方便使用，该系统还设置了一个通用串行总线（USB）接口，以便与个人电脑（PC）进行通信。
微流控诊断系统的各个模块
微流控芯片设计和制造
研究人员使用Nanolithography Toolbox软件中集成了微流控功能的基于JAVA的脚本进行芯片设计，并生成了图形设计系统II（GDS II）格式的文件。该设计包括专为微流控芯片量身打造的特征，例如其具有切向连接的腔室和圆形的流体输送路径，以确保最小的死体积。在该设计中，PCR/LAMP腔室是该系统的主要特征结构，其标称容积为6 μL，设定深度为100 μm。此外，该系统还包括两个较小的腔室：一个用于捕获磁性颗粒，另一个用于使用矿物油纯化捕获的磁性颗粒，以去除细胞/病毒裂解产生的碎片。研究人员将GDS II格式的文件转换成数据交换格式，然后再转换成计算机数控（CNC）加工常用的产品模型数据格式。基于以上设计，研究人员利用垂直铣削工艺，在一个厚度约3 mm、面积为25 mm × 75 mm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）芯片上构建了微流控通道。其中，垂直和水平微通道的宽度分别为约955 µm和约1350 µm。然后，研究人员通过化学辅助热键合技术，将这种数控制造的芯片键合到一块厚度约1 mm的平面PMMA上。
用于检测RNA的微流控芯片及示意图概览
该研究开发的微流控诊断系统具有速度快、成本效益高的显著优势。整体检测流程，包括样品加载（5分钟）、RNA提取（3分钟）和RT-LAMP（20分钟），在28分钟内即可完成。然而，由于开发的微流控芯片的热传导没有达到最优状态，RT-PCR检测流程的速度明显较慢。此外，无论是RT-LAMP还是RT-PCR检测流程，其母液的总体消耗量都非常小，仅约10 µl。目前，影响该微流控诊断系统检测限的主要因素是提取步骤中的高核酸损失率。据计算，其损失率约为96.6%。然而，即使提取效率如此之低，由于SARS-CoV-2的病毒载量较高，该系统对COVID-19的诊断仍有足够的灵敏度，但其不足以鉴定人类免疫缺陷病毒（HIV）和其他病毒载量较低的类似病毒。
PCR扩增效率和标准曲线分析
RT-LAMP扩增效率和标准曲线分析
市售qPCR仪和微流控芯片的RT-PCR结果和熔解曲线的对比
此外，该研究开发的基于PMMA的“样本到答案”微流控芯片无需复杂的处理流程即可实现批量生产。与市售方案相比，其每次测试的成本仅需约9.5美元，具有良好的成本优势。如果用更经济的方法（例如卷对卷热压印或注塑成型）取代基于数控机床的芯片制造技术，成本有望进一步降低。此外，该系统的便携性、易用性和自动化功能使其适用于非专业人员的现场诊断操作，而无需中心实验室分析。然而，该系统还存在进一步改进的空间，尤其是在最大限度减少核酸损失率方面。总体而言，这项研究为开发更复杂、更可靠、更便于使用的分子诊断检测微流控系统奠定了基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00677-6
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《DNA测序技术及市场-2022版》
