美研究人員利用手機(jī)攝像頭實(shí)現(xiàn)血液中罕見(jiàn)蛋白的快速低成本檢測(cè)

醫(yī)學(xué)診斷的前沿之一是努力開(kāi)發(fā)更敏感的血液測(cè)試。檢測(cè)極其罕見(jiàn)的蛋白質(zhì)的能力可能在許多情形下，比如早期檢測(cè)某些癌癥或者診斷創(chuàng)傷性腦損傷以挽救生命，在這些情形下，相關(guān)的生物標(biāo)志物僅以極少量出現(xiàn)。超敏感蛋白質(zhì)檢測(cè)的商業(yè)方法開(kāi)始變得可用，但是它們基于昂貴的光學(xué)器件和流體處理器，這使得它們相對(duì)笨重且昂貴，從而限制它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下的使用。

具有這類(lèi)作為即時(shí)檢測(cè)設(shè)備的診斷系統(tǒng)對(duì)許多疾?。ㄌ貏e是創(chuàng)傷性腦損傷）至關(guān)重要。在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種使用現(xiàn)成組件并能夠在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)單個(gè)蛋白質(zhì)的測(cè)試方法，而傳統(tǒng)的工作流程可能需要數(shù)天時(shí)間。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年3月5日的PNAS期刊上，論文標(biāo)題為“Mobile platform for rapid sub–picogram-per-milliliter, multiplexed, digital droplet detection of proteins”。論文通訊作者為賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系助理教授David Issadore。論文第一作者為賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系研究生Venkata R. Yelleswarapu。

通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)攝像頭和一組頻閃LED燈，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室所用的微流體液滴發(fā)生器，Issadore及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種比標(biāo)準(zhǔn)蛋白測(cè)試方法靈敏一千倍的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是手持式的，而且比當(dāng)前首次推入市場(chǎng)的最先進(jìn)的蛋白質(zhì)測(cè)試方法便宜得多。

作為標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)檢測(cè)方法，酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）涉及將抗體附著到感興趣的蛋白質(zhì)上，隨后測(cè)量在與這些抗體連接在一起的酶的作用下，樣品發(fā)生的顏色變化。這個(gè)過(guò)程快速而簡(jiǎn)單，足以整合到即時(shí)檢測(cè)設(shè)備中，比如家庭HIV測(cè)試，但是僅當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度很高時(shí)才能起作用。

目前很少有創(chuàng)傷性腦損傷的生物標(biāo)志物，這是因?yàn)檫@種損傷的蛋白質(zhì)標(biāo)志物很少能夠通過(guò)血腦屏障。醫(yī)學(xué)人員最近才證實(shí)任何此類(lèi)標(biāo)志物都可用于血液測(cè)試，并且鑒于它們的超低濃度，這類(lèi)測(cè)試需要比標(biāo)準(zhǔn)的ELISA陣列靈敏得多。

Issadore說(shuō)，“敏感度要高出一千倍，我們的意思是如果我們有一小瓶?jī)H有少量相關(guān)蛋白質(zhì)的血液，那么我就能夠準(zhǔn)確地確定這些蛋白質(zhì)的數(shù)量，然而，傳統(tǒng)的測(cè)試方法無(wú)法可靠地區(qū)分這小瓶血液和里面沒(méi)有這些蛋白的血液。當(dāng)人們不斷地增加這些蛋白質(zhì)的數(shù)量時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)試方法將最終能夠檢測(cè)它們，但是相比而言，我們能夠在濃度低一千倍的情形下定量檢測(cè)它們的數(shù)量?！?/p>

Issadore的方法是每次測(cè)量一種蛋白質(zhì)，將樣品分解成微液滴（microdroplet），每個(gè)微液滴要么含有單個(gè)蛋白質(zhì)，要么根本不含有。他的實(shí)驗(yàn)室在微流體技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)已制造出經(jīng)蝕刻后具有數(shù)百個(gè)微液滴發(fā)生器的微芯片，其中所有的這些微液滴發(fā)生器是都并行工作的。

Issadore說(shuō)，“通常情況下，你必須非常準(zhǔn)確地測(cè)量樣品發(fā)生顏色變化或發(fā)出熒光，但是在這項(xiàng)新的研究中，我們將它變成了數(shù)千萬(wàn)個(gè)是或否的問(wèn)題。將這個(gè)問(wèn)題數(shù)字化降低了攝像頭和周?chē)黧w處理設(shè)備的成本，但是會(huì)將這個(gè)問(wèn)題以一種可重復(fù)的、準(zhǔn)確的、便宜的和便攜的方式轉(zhuǎn)化為如何處理這數(shù)千萬(wàn)個(gè)是或否的問(wèn)題?！?/p>

雖然現(xiàn)成的攝像頭可以檢測(cè)微液滴是否含有熒光標(biāo)記物結(jié)合的蛋白質(zhì)，但最大的挑戰(zhàn)是加快這一過(guò)程?，F(xiàn)有的數(shù)字液滴檢測(cè)器將這些微液滴排成一行，這樣就以一次一個(gè)微液滴的方式測(cè)量它們。這樣的系統(tǒng)是準(zhǔn)確的，但體積大且昂貴。它們也具有有限的通量，這是因?yàn)橐砸淮我粋€(gè)微液滴的方式需要觀察數(shù)百萬(wàn)個(gè)微液滴。Yelleswarapu說(shuō)，“如果需要測(cè)量5000萬(wàn)個(gè)微液滴，那么按照常規(guī)技術(shù)的通量，一秒測(cè)1000個(gè)微液滴仍然是相當(dāng)慢的?！?/p>

這些研究人員讓這些微液滴流進(jìn)數(shù)百個(gè)允許攝像頭同時(shí)經(jīng)過(guò)的通道而不是一個(gè)通道中。然而，面臨的瓶頸是攝像頭如何能夠快速地捕獲這些數(shù)據(jù)。

Yelleswarapu說(shuō)，“通常而言，這不會(huì)起作用，這是因?yàn)樵趶钠胀〝z像頭的曝光時(shí)間內(nèi)來(lái)自?xún)蓚€(gè)彼此相鄰的微液滴的信號(hào)會(huì)重疊。手機(jī)攝像頭每秒拍攝大約一百?gòu)垐D片，這對(duì)于我們解決這些微液滴來(lái)說(shuō)太慢了。但是如果你用來(lái)照亮微液滴閃光燈的光源比手機(jī)攝像頭的幀頻快一千倍，那么你就能夠使用這種手機(jī)攝像頭。”

讓Issadore團(tuán)隊(duì)的方法發(fā)揮作用的技巧是用一種信號(hào)對(duì)微液滴閃光燈進(jìn)行編碼，這種信號(hào)可以讓彼此相鄰的微液滴分離開(kāi)來(lái)。

Issadore說(shuō)，“通過(guò)一種借鑒雷達(dá)的技術(shù)，我們以一種非常特殊的從不重復(fù)的模式對(duì)光線進(jìn)行選擇。當(dāng)這些信號(hào)穿過(guò)屏幕時(shí)，它們會(huì)印上這個(gè)條形碼。因此即便它們彼此重疊，我們也能夠通過(guò)哪個(gè)選通脈沖照亮每個(gè)微液滴來(lái)區(qū)分它們?！?/p>

Issadore團(tuán)隊(duì)之前已發(fā)表過(guò)關(guān)于創(chuàng)傷性腦損傷標(biāo)志物的文章，并且正在與長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)院（Presbyterian Hospital）一起研究腦損傷患者。他們還在成立了一家衍生公司Chip Diagnostics，旨在為早期癌癥診斷和創(chuàng)傷性腦損傷開(kāi)發(fā)檢測(cè)試劑盒。