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新型微型半导体生物芯片或能有效鉴别出多重耐药病原体

来源:本站原创 2018-08-22 22:20

2018年8月22日 讯 /生物谷BIOON/ --如今,不断进化的耐多药病原体日益引起全球的关注,耐药病原体的出现速度远远超过了科学家们发现新药的速度,而且常规的抗生素并不能有效治疗这些病原体引发的多种疾病;开发用于临床应用的综合诊断技术对于有效控制不断升级的健康风险至关重要,当前诊断感染性疾病的实验室检测技术常常是基于培养的方法来进行的,而这种方法需要几天才能够得出检测结果。而快速的分子诊断技术能利用核酸扩增试验(NAATs,nucleic acid amplification tests)在不到一小时的时间里直接对临床样本中的微生物核酸进行检测,然而当前的核酸扩增试验受限于一些因素,比如多路检测技术水平不足(即单一反应中所能检测到的菌株或核酸序列的数量),以及检测突变的准确率不高。

图片来源:Nature Biotechnology, doi:10.1038/nbt.4179

如今科学家们和工程师通过联合研究开发出了一种完全整合的微型半导体生物芯片,其能够通过封闭管的化学反应进行多路核酸扩增试验克服当前检测技术的限制,这种系统能够快速对单一样本中的DNA和RNA序列进行扩增,包括物种的特征、基因型以及介导致病性耐药性的突变,研究人员通过鉴别并且定量呼吸道病原体中的多种病毒RNAs和DNAs,初步论证了这种新系统使用的可行性。

研究者指出,这种新型系统能检测结核分枝杆菌基因组多个基因中超过50种抗生素耐药性的突变,相关研究成果刊登于国际杂志Nature Biotechnology上。这项研究中,研究者Hassibi等人通过利用一种常规的亚微米、互补金属氧化物半导体处理器(CMOS),设计并且开发了一种小型单次使用的特殊半导体设备,这种生物芯片的架构包括一种具有热循环能力的流体腔以及携带荧光基团的DNA捕获探针(该探针能嵌入到生物传感器阵列中)。

这种系统的流体腔能够接收多重PCR试剂以及用于扩增的临床病原体的核酸(特定的核酸序列负责介导病原体的耐药性),当微生物基因组的扩增区域与生物芯片中的DNA捕获探针相联系时,单一的生物传感器将被激活用来检测并且区分野生型菌株和突变菌株。在NAAT模块中,流体端口能引入混合的PCR试剂,并且将提取的核酸放入腔体中来进行核酸扩增,这种生物芯片配备了32×32的生物传感器像素阵列,每一种都嵌有光电二极管、加热器和检测器,该系统能通过逆向荧光转导法(IFT,inverse fluorescence transduction method)来实时鉴别多种不同的病原体核酸序列。按照功能来讲,CMOS生物芯片能实时监测IFT信号,同时还能控制流体腔的温度来促进核酸扩增。

图片来源:Nature Biotechnology doi: doi:10.1038/nbt.4179

这种系统代替了常规的PCR染料,其包括了对吸附在每一个像素上的寡核苷酸IFT探针能进行实时转导,每个探针中的双荧光基团都能与PCR扩增物进行杂交反应,这种传感器阵列的可调读取速度范围为每秒1-50次。

研究者指出,这种新型凭条能对成百上千种不同的序列进行检测,但其受到了阵列上像素数量的限制,为了阐明其多路复用的能力(multiplexing capacity),研究人员利用CMOS生物芯片同时对单一临床样本中的多种DNA和RNA呼吸病毒进行了鉴定,该平台能鉴别出位于6个基因上的54种单核苷酸多态性(SNP),从而检测出介导耐药性的基因突变,并将野生型菌株(对药物敏感性的病原体)与耐药性菌株区分开来。

尽管除了现有的NAAT平台外,该系统还有其它优点,比如能够进行划算的多路复用、工作流程简单以及不到两个小时的结果分析等,但研究人员假设这种系统仅能够检测目前已知的突变,其并不能鉴别出新型病原体和新型突变,因此其更适合于下一代测序工作。快速检测多重耐药病原体和突变的能力未来或将为科学家们提供更有意义的数据,来帮助解决当前的抗生素耐药性,并为患者提供更加精准的药物选择。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Multiplexed identification, quantification and genotyping of infectious agents using a semiconductor biochip

【2】Evaluation of Oxford Nanopore’s MinION Sequencing Device for Microbial Whole Genome Sequencing Applications

【3】WHO Global Strategy for Containment of Antimicrobial Resistance

【4】Global antimicrobial resistance surveillance system (GLASS) report

【5】Better tests, better care: improved diagnostics for infectious diseases.

【6】Molecular mechanisms of antibiotic resistance.

【7】A CMOS Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Biosensor Array

【8】Comparative advantages of mechanical biosensors

【9】A Fully Integrated CMOS Fluorescence Biochip for DNA and RNA Testing

【10】Preparation of electrode-immobilized, redox-modified oligonucleotides for electrochemical DNA and aptamer-based sensing.

【11】A miniaturized semiconductor biochip to identify drug-resistant pathogens

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