微流控電化學(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)

快速、準(zhǔn)確和頻繁地檢測(cè)新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的RNA和該病毒宿主的血清抗體，將有助于確定以前曾感染過該病毒或接種過疫苗的新型冠狀肺炎（COVID-19）患者的免疫狀態(tài)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip，LOC）平臺(tái)，該平臺(tái)通過多路電化學(xué)輸出，可在2小時(shí)內(nèi)同時(shí)檢測(cè)唾液中的SARS-CoV-2 RNA以及唾液和血漿中的抗SARS-CoV-2免疫球蛋白，有助于廣泛監(jiān)測(cè)COVID-19感染和免疫狀況。相關(guān)研究成果以“A lab-on-a-chip for the concurrent electrochemical detection of SARS-CoV-2 RNA and anti-SARS-CoV-2 antibodies in saliva and plasma”為題發(fā)表于Nature Biomedical Engineering期刊。

微流控電化學(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)

在考慮芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）診斷器件的設(shè)計(jì)時(shí)，研究人員重點(diǎn)關(guān)注準(zhǔn)確性、易用性以及與數(shù)字醫(yī)療平臺(tái)集成的能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員制造了一種微流控芯片，能夠利用未經(jīng)處理的唾液，以檢測(cè)同一電化學(xué)（EC）傳感器芯片上的病毒RNA和宿主抗體（圖1）。

圖1 多路電化學(xué)傳感器系統(tǒng)概覽

基于CRISPR的綜合分子診斷分析

在這項(xiàng)研究中，研究人員還設(shè)計(jì)了一種定制的核酸檢測(cè)分子分析方法，將等溫核酸擴(kuò)增與基于CRISPR的酶檢測(cè)相結(jié)合，以唾液中的SARS-CoV-2病毒RNA為靶向。這可以通過開發(fā)和優(yōu)化生物素化ssDNA復(fù)制蛋白（RP）的RNA依賴性Cas12a切割來實(shí)現(xiàn)，該RP與基于芯片的多鏈霉親和素-辣根過氧化物酶（HRP）/3，3‘，5，5’-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）反應(yīng)化學(xué)相互作用，比基于熒光的CRISPR-Cas12a分析方法更加靈敏，但得出結(jié)果的時(shí)間相似。

圖2 使用臨床樣本的CRISPR電化學(xué)檢測(cè)和檢測(cè)性能示意圖

多重血清學(xué)電化學(xué)檢測(cè)

此外，研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的ELISA相比，用于血清學(xué)檢測(cè)的EC傳感器，獲得了100%（100%靈敏度和100%特異性）的IgG檢測(cè)準(zhǔn)確度。并且，研究人員表征了一種多重EC傳感器，可檢測(cè)針對(duì)各種抗體同種型（IgG、IgM和IgA）的相關(guān)病毒結(jié)構(gòu)蛋白（S1-RBD、S1和N）的抗體，并能夠更深入地了解患者的體液反應(yīng)。重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)同時(shí)多重檢測(cè)不同的病毒抗原可以提高診斷靈敏度。

圖3 多重血清學(xué)檢測(cè)示意圖

最后，研究人員設(shè)計(jì)并測(cè)試了一個(gè)與多路EC傳感器集成的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，用于同時(shí)檢測(cè)臨床唾液樣本中的RNA和IgG。該微流控芯片通過自動(dòng)化原始唾液樣品制備、RNA擴(kuò)增和基于CRISPR的RNA檢測(cè)步驟，消除了對(duì)RNA提取試劑盒的需求。憑借其緊湊和密封的設(shè)計(jì)，該芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)減少了使用步驟，以避免引入可能的污染源或人為錯(cuò)誤，以允許未經(jīng)培訓(xùn)的用戶輕松地使用檢測(cè)器件，進(jìn)一步增加其作為即時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的潛力。

圖4 該微流控電化學(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)可用于多重傳感，同時(shí)檢測(cè)SARS-CoV-2病毒RNA和宿主抗病毒抗體。

總體而言，雖然研究人員開發(fā)的芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)很有前景，但在這項(xiàng)技術(shù)可以較便利地用于臨床即時(shí)檢測(cè)之前，還需要解決一些瓶頸問題。首先，該系統(tǒng)使用蠕動(dòng)泵來進(jìn)行流體驅(qū)動(dòng)，并使用恒電位儀來讀取EC傳感器芯片。電子電路、蠕動(dòng)泵和恒電位儀讀出的進(jìn)一步集成將構(gòu)建一款強(qiáng)大的可重復(fù)使用系統(tǒng)，使這種多重診斷工具可用于醫(yī)療保健和臨床即時(shí)檢測(cè)。類似地，3D打印的微流控芯片可以通過改用注塑成型技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造，其中LAMP和CRISPR檢測(cè)試劑預(yù)先測(cè)量、凍干并密封在盒內(nèi)，以簡(jiǎn)化分析使用。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00919-w

審核編輯 ：李倩