常凌乾/王杨/钱海生团队开发电微流控生物芯片，实现隐球菌快速裂解和灵敏检测

针对这一需求，北京航空航天大学/安徽医科大学常凌乾联合团队在 Biosensors & Bioelectronics 期刊发表了题为：Rapid Cryptococcus electroporated-lysis and sensitive detection on a miniaturized platform 的研究文章。

该研究开发了一种电微流控生物芯片。该芯片集样本制备和结果定量于一体，实现了“样本进，结果出”的目的。芯片可以在20分钟内检测出隐球菌，并在1小时内达到最大检测限，且能够有效的区分隐球菌的两种亚型。

与其他真菌相比，隐球菌的特征是细胞体周围有一个荚膜（图1a）。隐球菌主要具有两种亚型：新生隐球菌（NEO）和格特隐球菌（GAT），研究人员可以通过它们各自独有的DNA序列进行特异性检测（图1b）。

为了实现快速、准确检测和区分隐球菌亚型的目标，研究团队设计了一种集成的微流控生物芯片。该芯片包含两个区域：用于细胞破裂的电穿孔裂解（EL）区域和用于核酸检测的电化学检测（ED）区域（图1c），它们通过蛇形通道连接。EL区由两个电极组成，每个电极设计有六个矩形区域，彼此之间的距离为100μm（图1d-1f）。在EL区，通过微通道的收缩设计，可以将电场强度集中在收缩区域，实现了电场强度的显著放大，通过注射泵的驱动，液体样本中的隐球菌的荚膜在流经EL区时被快速的电穿孔裂解并释放核酸（图1c）。

随后，溶液会填充满整个ED区（图1c）。研究团队在三电极系统的基础上，在ED区设计了三个独立的电化学检测单元，包括三个工作电极、一个公共参比电极和一个公共对电极（图1c）。AuNPs可以与rGO上的氨基（-NH2）非共价结合，从而可以在工作电极上进行修饰。特异探针通过金-巯基（Au-S）相互作用共价连接到AuNPs层，并在其5'端修饰了亚甲基蓝（MB）分子（图1g）。液体样本中的目标序列与工作电极上修饰的特异探针杂交后，MB分子从电极表面移开，导致电流减小，可以实现对目标序列的定量检测（图1h）。

图1. 隐球菌核酸序列的差异及电微流控芯片的工作原理

研究团队通过微分脉冲伏安法（DPV）研究了修饰电极的性能。通过DPV测试，NEO和GAT的检出限分别为60 pg/mL和100 pg/mL。

在临床应用中，对北京世纪坛医院提供的20个随机样本进行隐球菌的检测。将20个样本分为两组，其中一组样本通过芯片进行裂解检测，另一组样本用传统的实验室方法进行裂解以及扩增检测（图2a）。结果表明，该检测平台在较短的时间内获得了与传统方法相同的检测结果，且操作简单，灵敏度达到了100%（图2b），这进一步证明了该平台在隐球菌检测中有着极好的灵敏度和实用性，具有良好的发展前景。此外，整个过程在封闭的环境中进行，避免了对周围环境和操作人员的污染，减轻了人员、时间和地点的负担。该芯片结合了高灵敏、快速的电化学检测、快速的隐球菌电穿孔裂解、核酸提取等技术，集样本制备和结果定量于一体，实现了“样本进，结果出”的目的，这对于资源有限地区的隐球菌病快速、安全的医学诊断来说具有广阔的应用前景。

图2. 用实际的样本测试微芯片的性能

该研究的通讯作者为北航生物与医学工程学院常凌乾教授，医学科学与工程学院王杨副教授、董再再助理教授，和安徽医科大学生物医学工程学院钱海生教授。第一作者为安徽医科大学生物医学工程学院的硕士研究生孔祥珠、程龙。安徽医科大学生物医学工程学院为第一作者单位。