一種新的技術(shù)手段通過(guò)一口痰液就能快速準(zhǔn)確檢測(cè)出病原體

當(dāng)你因?yàn)楦忻鞍l(fā)燒咳嗽等癥狀去醫(yī)院時(shí)，醫(yī)生通常都會(huì)通過(guò)“問(wèn)”或者輔助生化指標(biāo)分析等進(jìn)行血象檢測(cè)，判斷是病毒感染還是細(xì)菌感染，時(shí)間耗費(fèi)長(zhǎng)而且容易耽誤病情。如今，一種新的技術(shù)手段通過(guò)一口痰液就能快速準(zhǔn)確檢測(cè)出病原體。

前不久，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)的一名2歲男童出現(xiàn)輕微咳嗽，久經(jīng)治療不見效。以肺炎收治入院后病情快速加重出現(xiàn)呼吸困難，并被下達(dá)了病危通知書，隨后轉(zhuǎn)入內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院的ICU病房。

長(zhǎng)期從事呼吸系統(tǒng)感染方面檢測(cè)的北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師要茂盛輾轉(zhuǎn)得知此事后，經(jīng)院方和家屬同意，帶著一臺(tái)檢測(cè)儀器和芯片前往內(nèi)蒙古為患兒做檢查，最終確定了患兒感染的病原體情況，醫(yī)院得以對(duì)癥治療。

微流控芯片檢測(cè)

據(jù)要茂盛介紹，幫助迅速鎖定病原體的儀器和芯片是來(lái)自博奧生物集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)、北京大學(xué)人民醫(yī)院自主研發(fā)的呼吸道病原菌碟式芯片檢測(cè)系統(tǒng)。

作為國(guó)內(nèi)首款微流控芯片病原核酸檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了微流控與核酸擴(kuò)增技術(shù)，可一次性檢測(cè)13種（其中8種已獲準(zhǔn)進(jìn)入臨床應(yīng)用）與呼吸道感染相關(guān)的病原微生物，最關(guān)鍵的是它可以在拿到樣本后2小時(shí)內(nèi)給出檢測(cè)報(bào)告，為患者贏得寶貴的救命時(shí)間。

目前，該系統(tǒng)已在全國(guó)31個(gè)省區(qū)市的200多家醫(yī)院投入使用，有些醫(yī)院的月檢測(cè)量已達(dá)600多份，成功挽救了不少重癥患者的生命并在2017年獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

傳統(tǒng)細(xì)菌培養(yǎng)方法周期長(zhǎng)

或許你不知道，2017年世界衛(wèi)生組織發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在世界十大死因中，下呼吸道感染竟然排在了第三位。肺炎更是導(dǎo)致5歲以下兒童死亡的第一大病因。

“人類和細(xì)菌的斗爭(zhēng)已經(jīng)很多年，到現(xiàn)在還是無(wú)能為力，很多病原只能靠猜，是病毒感染還是細(xì)菌感染?！辈W生物集團(tuán)有限公司高級(jí)副總裁、技術(shù)總監(jiān)邢婉麗教授告訴記者。

由于病原體感染的多種可能性，當(dāng)患者呼吸系統(tǒng)感染后，醫(yī)生需要知道患者感染了哪種病原體才能更好地針對(duì)性用藥。在傳統(tǒng)診療中，往往需要患者先抽血化驗(yàn)，醫(yī)生通過(guò)常規(guī)檢測(cè)手段等經(jīng)驗(yàn)推斷是病毒感染、細(xì)菌感染還是混合感染。

目前，臨床上鑒定病原菌的方法主要是細(xì)菌培養(yǎng)法，而某些細(xì)菌培養(yǎng)要花上一周左右的時(shí)間，個(gè)別細(xì)菌的培養(yǎng)甚至需要一個(gè)月以上，有些病原體甚至無(wú)法培養(yǎng)。

邢婉麗指出，細(xì)菌培養(yǎng)不出、培養(yǎng)周期較長(zhǎng)、病情診斷不明確是傳統(tǒng)診療方法的癥結(jié)所在。

這種情況下，很多病患無(wú)法在早期準(zhǔn)確判斷出其所感染的病原體，導(dǎo)致臨床醫(yī)生被迫根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用藥。

博奧生物集團(tuán)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副院長(zhǎng)蓋偉告訴記者：“懷疑細(xì)菌感染往往會(huì)使用抗生素，但因?yàn)椴恢朗悄姆N細(xì)菌感染，或者這種細(xì)菌可能對(duì)服用的抗生素不敏感，導(dǎo)致所用的抗生素?zé)o效?！?/p>

對(duì)此，博奧生物集團(tuán)和北大人民醫(yī)院的專家們?cè)?007年開始有了強(qiáng)烈的意愿，希望開發(fā)出能幫助醫(yī)生快速準(zhǔn)確找到病原體的檢測(cè)方法。

微流控芯片解決多病原體檢測(cè)難題

然而，要在幾小時(shí)內(nèi)從多達(dá)十到二十種可能的病菌中準(zhǔn)確找出真正的致病元兇，這是一件難度極大的挑戰(zhàn)，此前國(guó)內(nèi)還沒有人能做出來(lái)。

“以核酸擴(kuò)增檢測(cè)為代表的分子診斷技術(shù)需時(shí)較短，但現(xiàn)有產(chǎn)品大多一次只能檢測(cè)一兩種病原，無(wú)法很好地滿足臨床需求。臨床上亟須新的病原微生物檢驗(yàn)技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，一次檢測(cè)即可對(duì)多種病原體及耐藥性進(jìn)行快速鑒定?！毙贤覃愓f(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)將目光放在了微流控芯片上。與我們熟知的芯片不同，微流控芯片其實(shí)是集成了液體流通管道的薄片，只是這些管道實(shí)在是太小，才被稱作微流控。

“微流控芯片同計(jì)算機(jī)的芯片一樣，在微小的器件上進(jìn)行高度的集成，所以可以在芯片上完成很復(fù)雜的工作?！鄙w偉說(shuō)。

那么這個(gè)小小的微流控芯片是如何做到快速檢測(cè)的呢？當(dāng)醫(yī)生判斷可能是下呼吸道感染時(shí)，痰液中就會(huì)含有導(dǎo)致感染的病原體。這時(shí)，恒溫?cái)U(kuò)增微流控芯片就能發(fā)揮它的作用了，它不需要培養(yǎng)痰液細(xì)菌，只需將痰液簡(jiǎn)單處理得到其中的核酸，再將核酸導(dǎo)入芯片就能在核酸分析儀上檢測(cè)，分析儀上的檢測(cè)時(shí)間為50分鐘，檢測(cè)過(guò)程和最終結(jié)果在電腦軟件中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

也就是說(shuō)，僅僅需要2小時(shí)，就能知道一位病人感染了哪種病原體，這比細(xì)菌培養(yǎng)方法耗時(shí)短得多，甚至比病人在一家三甲醫(yī)院掛號(hào)然后等待醫(yī)生診斷的時(shí)間還要短。此外，它從很大程度上解決了目前臨床下呼吸道感染病原體確診率低和部分細(xì)菌培養(yǎng)難的問(wèn)題。

“傳統(tǒng)的檢測(cè)方法太費(fèi)標(biāo)本，有的樣本是很珍貴的。現(xiàn)在一份標(biāo)本就可以檢測(cè)13種細(xì)菌或者19種呼吸道病毒?！鄙w偉告訴記者，與傳統(tǒng)檢測(cè)較為繁瑣的流程相比，現(xiàn)在操作很簡(jiǎn)單，將注入核酸的微流控芯片放入機(jī)器里就好了，“就像沖方便面”。

五秒就制造出一張碟式芯片

對(duì)于商業(yè)公司而言，實(shí)驗(yàn)室里的研究必須要轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品才有意義。

“我們要把想法變成產(chǎn)品，尤其是工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，并且達(dá)到很高的準(zhǔn)確性，幫助解決臨床問(wèn)題。”蓋偉坦言，難度很大。

對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，這是一個(gè)完全創(chuàng)新性的工程，沒有任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

微流控芯片加樣

據(jù)了解，微流控芯片上集成有很多粗細(xì)只有大約一根頭發(fā)絲的微流體管道，需要采用具有微米或納米級(jí)精度的高端制造技術(shù)，但又要有極低的制造成本和較高的產(chǎn)能，才能滿足一次性使用的需求。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了一條新的微流控芯片制造技術(shù)路線，“首先，生物醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)確定了最終合適的分子診斷檢測(cè)技術(shù)方法；然后，聯(lián)合工程團(tuán)隊(duì)確定微流控芯片的設(shè)計(jì)和制造工藝，即用微加工技術(shù)先做出精密的模具，再采用特種精密注塑技術(shù)進(jìn)行大批量芯片生產(chǎn)；當(dāng)然，還離不開科學(xué)儀器團(tuán)隊(duì)打造出高性能的配套儀器設(shè)備?！鄙w偉表示。

2013年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)摸索，終于研發(fā)出了高靈敏度、多指標(biāo)的呼吸道病原菌碟式芯片及配套儀器系統(tǒng)，并將檢測(cè)結(jié)果報(bào)告時(shí)間縮短到2小時(shí)以內(nèi)。

如今的博奧生物憑借獨(dú)特的制造工藝，最快每五秒就可以制造出一張碟式芯片，目前已量產(chǎn)了幾十萬(wàn)片芯片陸續(xù)投放市場(chǎng)。

“這是生物醫(yī)學(xué)和工程制造的配合，最終形成了一個(gè)綜合的高效檢測(cè)系統(tǒng)?！毙贤覃愓f(shuō)。

據(jù)了解，由于該產(chǎn)品采用恒溫?cái)U(kuò)增技術(shù)，利用具有鏈置換功能的聚合酶在恒溫（65℃）條件下進(jìn)行反應(yīng)，無(wú)需高溫變性和低溫退火過(guò)程，因此不存在時(shí)間的耗損，樣本DNA（靶核酸）的擴(kuò)增可以在很短時(shí)間內(nèi)完成，然后利用熒光染料摻入法進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光檢測(cè)，擴(kuò)增陽(yáng)性的樣品會(huì)產(chǎn)生“S”形擴(kuò)增曲線，一步完成對(duì)靶基因的擴(kuò)增和檢測(cè)，而且整個(gè)過(guò)程僅需兩個(gè)小時(shí)，比傳統(tǒng)培養(yǎng)法快了6—200倍。

引領(lǐng)臨床病原菌檢測(cè)進(jìn)入“精準(zhǔn)時(shí)代”

由于這種方法具有檢測(cè)快速、準(zhǔn)確性高、靈敏度高等特點(diǎn)，因此成為了感染性疾病快速診斷、精準(zhǔn)治療及應(yīng)對(duì)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件的一種有效的工具。

蓋偉告訴記者，曾有一位59歲的患者，因發(fā)熱、咳嗽出現(xiàn)呼吸困難的癥狀，被診斷為重癥肺炎，治療5天后，病情加重。后來(lái)從北京昌平轉(zhuǎn)到北大人民醫(yī)院，采用呼吸道病原菌檢測(cè)芯片測(cè)試得知感染的是嗜肺軍團(tuán)菌后，更換為紅霉素治療，每天花費(fèi)不到10元，兩周后就痊愈出院了。

微流控芯片核酸分析儀和呼吸道病原菌核酸檢測(cè)試劑盒已分別于2015年和2016年通過(guò)了國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批，獲三類醫(yī)療器械注冊(cè)證書。CFDA對(duì)該產(chǎn)品給予了“國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，具有顯著的臨床應(yīng)用價(jià)值”的評(píng)價(jià)。

“這個(gè)產(chǎn)品的增長(zhǎng)率是公司最快的，今年1—4月的銷量就已超過(guò)去年全年，而且供不應(yīng)求，200多家三甲醫(yī)院都有應(yīng)用，檢測(cè)患者已達(dá)十幾萬(wàn)人次?！毙贤覃愓f(shuō)。

業(yè)界評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的推出有望徹底改變臨床呼吸道感染診治領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的“盲人摸象”和“經(jīng)驗(yàn)用藥”局面，引領(lǐng)臨床病原菌檢測(cè)進(jìn)入“精準(zhǔn)時(shí)代”。

據(jù)了解，微流控芯片技術(shù)平臺(tái)還可應(yīng)用于消化道病原菌檢測(cè)、傷口感染病原菌檢測(cè)、呼吸道病毒檢測(cè)等多個(gè)臨床檢驗(yàn)方向。該平臺(tái)也可應(yīng)用于動(dòng)物疫病相關(guān)病原檢測(cè)、水產(chǎn)品相關(guān)病原檢測(cè)、食品中致病微生物檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)基因檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。