手持式PCR仪赛道火热！加州大学洛杉矶分校团队加入战局

　　新冠大流行使得人们对诊断测试的需求激增，而新冠本身的传染性特点，又导致在阳性率较高的情况下，人群密集检测会带来更大的传播风险。在这种情况下，加利福尼亚大学洛杉矶分校的一个研究小组试图来解决这个问题，他们利用小型化自动化设备和微流控技术开发了一种手持式诊断系统，这将使分子测试更便宜，而且更容易获得。
　　帮助开发该系统的加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程系教授Sam Emaminejad表示，该设备将进行测试所需的试剂和样本量降至最低，并使测试自动化，以＂在微流控技术的框架内重新想象机器人技术＂。
　　虽然有很多家诊断公司，例如Scope Fluidics和Standard BioTools（前身为Fluidigm），都有基于微流控技术的产品，但他们的体积都不小，这实际上和微流控领域的目标‘保持仪器不会太庞大和笨重’相矛盾。因此，对于现在的大多数微流控设备而言，并不能称为＂芯片实验室＂，而是＂实验室中的芯片＂，而且往往受困于售价和操作环境的要求，使其不容易扩展或获得。
　　自动化设备在许多实验室中被使用，特别是用于移液或其他样品制备步骤，但它们很笨重，难以在非实验室环境中使用，因此在开发他们的设备时，研究人员想找出一种方法，在不增加尺寸的前提下，将自动化技术整合到系统中。
　　他们最后决定使用磁性纳米粒子，结合他们称之为铁机器人的微小移动磁铁，在电路板上移动不同的液体，并进行诊断测试。最后，研究人员能够找到一种能够磁化样品但不干扰聚合酶反应的纳米粒子。
　　这篇关于设备开发和在新冠测试中应用的论文于11月9日发表在《Nature》杂志上。
　　根据该论文，为了使用该设备，该团队将磁性纳米粒子添加到样品中，并将一小滴放在一个微流控芯片上，然后将其放在一个控制电磁线圈的电路板上，中间夹着铁氧体。一旦测试开始，铁机器人被线圈移动，并以磁力吸引样品滴，让铁机器人移动样品，将其分成几个部分，与其他试剂合并，或混合样品，这取决于测试的情况。
　　对于一个单一的SARS-CoV-2测试，样品被等分，以获得一个受控的体积，并被移入一个含有试剂的反应室，进行循环介导的等温扩增测试，然后被加热以进行反应，这通常需要大约30分钟。
　　Di Carlo，加州大学洛杉矶分校工程系教授兼开发团队成员，说，铁机器人的存在是至关重要的，因为样品中的纳米颗粒没有很强的磁性，无法用普通的电磁线圈移动。通过在设备中加入铁氧体，磁场得到加强，样品液滴可以被移动。
　　该团队使用比色法读数来确定阳性或阴性结果，但Di Carlo说，根据测试情况，读数可以改为荧光或电化学读数。
　　该设备与样品类型无关，可用于各种不同的液体，包括唾液和鼻拭子的运输介质。他指出，研究人员还测试了具有不同离子组成的样本，比如不同的pH值，以确保对磁铁没有干扰。
　　除了用一个样本进行单独测试外，该设备还能进行多重测试和使用混合样本的测试。在COVID-19大流行的高峰期，混合测试获得了实验室和诊断测试开发商的更大兴趣，因为测试能力紧张，需求量大，但进行混合测试对实验室技术人员来说还是一件相当繁重的工作。
　　这个设备能够一次测试16个样本。如果在混合测试中结果为阳性，则将混合样品重新拆分成单个样品，并分为四行和四列的矩阵，再次进行测试，当某一行和某一列为阳性时，表明该行和该列的交叉点上的特定患者样本为阳性。
　　对于测试不同疾病的多重检测，如呼吸道病毒检测组合，可以将样品等分，每一部分都被送入一个反应室，其中有与所测试的病毒相关的不同LAMP溶液。这些LAMP测定都是已经商业化的试剂盒，如来自新英格兰生物实验室和其他诊断开发商的测定，因此没有必要创建自己的测定。对于该研发团队而言，其策略是确定如何能够＂利用已经存在的检测方法＂。
　　自新冠大流行开始以来，用于传染病检测的手持式分子诊断设备的开发出现了热潮，多家公司的仪器处于不同的商业化阶段。例如，德国诊断公司Midge Medical最近为其名为Minoo的＂手掌大小的全数字综合快速测试系统＂和SARS-CoV-2测试获得了CE标志，该测试通过逆转录酶重组聚合酶扩增来检测病毒。
　　位于内布拉斯加州的诊断公司MatMaCorp开发了用于qPCR测试的My Real-Time分析仪，总部位于德克萨斯州奥斯汀的初创公司Nuclein正致力于将其一次性手持PCR系统商业化。
　　同时，Visby医疗公司已经筹集了超过2.3亿美元的私人融资，以支持在其一次性手持PCR设备上开发更多的测试。这家位于加利福尼亚州圣何塞的公司在2021年2月获得了美国食品和药物管理局对其SARS-CoV-2测试的紧急使用授权，并在2021年8月获得了该机构对检测沙眼衣原体、淋病奈瑟菌和阴道毛滴虫的多重测试的510（k）许可。
　　Emaminejad和Di Carlo都指出，他们设备的关键创新之一是能够通过微流控技术处理非常小的液体体积，因此每次测试可以使用较小体积的试剂，从而节省成本。而且，该设备不需要额外的自动化设备进行辅助，所以占地面积比许多其他仪器小。
　　在研究人员为《Nature》研究测试的100个临床COVID-19样本中，他们的设备漏掉了一个PCR阳性样本，导致灵敏度为98%，特异性为100%。但这个漏掉的样本在用其他RT-LAMP测试时也是阴性的。
　　Mehdi Javanmard，他是罗格斯大学电子和计算机工程教授，并没有参与该设备的开发，说，该领域在开发小型微流控平台时一直在努力，因为很难＂让[液体]以少量但可靠的方式移动。有人可能有一个小型微流控芯片，但对流体泵和读出仪器的需求意味着仪器的尺寸增长非常快。＂
　　加州大学洛杉矶分校团队开发的设备以一种＂非常优雅、简单和可扩展的方式＂解决了这个＂基本问题＂。下一步是证明该测试能可靠地用于指定用途，无论是医生办公室、紧急护理诊所、药房还是零售场所。如果它确实有效，该设备对未来的大流行准备和诊断行业来说＂将是一个游戏规则的改变者＂。
　　Di Carlo说，研究人员打算将该设备商业化，自从《Nature》杂志的论文发表以来，潜在的合作伙伴对其兴趣越来越大。然而，他们还不确定商业化将采取什么途径，例如该技术是否将被授权给另一家公司，又或者他们是否将成立自己的公司将该设备上市。目前，知识产权由加州大学洛杉矶分校拥有，并且已经申请了专利。
　　Emaminejad说，他认为该设备可以在护理点使用，如诊所、零售或药店，也可能在家里使用。现在的重点是收集更多的数据，以便将该设备转化为临床环境，研究人员希望利用世界重新强调诊断测试的机会。该团队还必须在该系统能够进行商业亮相之前解决一些工程方面的挑战，比如改进界面，使平台更容易使用。
　　尽管该设备的第一个应用是SARS-CoV-2测试，但该团队正在考虑哪些＂关键疾病可以独特地受益于廉价和简单的测试，并专注于最迫切需要的地方＂。研究人员正在为包括传染病在内的一系列应用的更广泛检测组合进行进一步重复测试。
　　Di Carlo说：＂使用磁力来移动液滴已经存在，但它从来没有以一种真正强大的方式来实现。这种新方法带来了很多新的机会。＂
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