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Nature子刊:一种MCFA实验室芯片可在20分钟内给出测试结果

来源:本站原创 2020-02-08 17:20

2020年2月8日讯/生物谷BIOON/---目前,即使在人们表现出症状的情况下,在实验室中进行疾病诊断也要花费数小时甚至数天的时间。到这时,这种疾病可能已经扩散了。

在一项新的研究中,来自美国辛辛那提大学的研究人员构建出一种微型便携式实验室芯片,它可插入到智能手机中,通过他们开发的一种自定义应用程序将这种实验室芯片自动连接到医生办公室。相关研究结果于2020年1月27日发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上,论文标题为“A new microchannel capillary flow assay (MCFA) platform with lyophilized chemiluminescence reagents for a smartphone-based POCT detecting malaria”。论文通讯作者为辛辛那提大学的Chong Ahn教授。
图片来自Microsystems & Nanoengineering, 2020, doi:10.1038/s41378-019-0108-8。

在测试时,将患者的血液或唾液等样本装载到这种一次性使用的实验室芯片中,然后将它插入一个黑盒的插槽中以测试样本。它自动地将测试结果即时地传送给医生。

这种实验室芯片,称为微通道毛细管流动测定(microchannel capillary flow assay, MCFA)实验室芯片,利用自然的毛细管作用让装载的样本沿着两个微小的通道(即微通道)流动。一个微通道将样本与冻干的检测抗体试剂混合。另一个微通道含有冻干的化学发光试剂。当流入这两个通道的样本在三个硅光电倍增管(PMT)上汇集在一起时,就可读出测量结果。

在MCFA实验室芯片中,这两个微通道经过功能设计后具有足够亲水性的表面,一旦装载含有靶生物标志物的样本(比如血清),这种亲水性表面可将样本引流向冻干的试剂并溶解它们。

这些研究人员还报道了一种可装载MCFA实验室芯片的POCT分析系统。它可用于执行基于化学发光的夹心法免疫测定。这种POCT分析系统包括三个主要组件:(1)信用卡大小的MCFA实验室芯片由热塑性环状烯烃共聚物(Cyclic Olefin Copolymer, COC)制成,提供了一种廉价的一次性使用的平台来执行高灵敏的化学发光测定;(2)高灵敏的光学检测器(可与智能手机连接和拆卸),比如PMT,可检测来自MCFA实验室芯片的化学发光信号,并通过USB OTG协议实时地与智能手机进行通信;(3)智能手机分析仪,用于显示、数据传输、数据存储和分析,还可作为光学检测器的电源。

这种USB-OTG功能使得智能手机可以充当主机并为与它连接在一起的外围设备供电。POCT分析系统是便携式的,用户友好的,可以执行快速而灵敏的测量,可被视为理想的终端用户干预最少的POCT分析仪。

他们通过在MCFA实验室芯片上利用夹心法免疫测定原理,检测疟疾生物标志物PfHRP2来验证这种POCT分析系统的诊断能力。恶性疟原虫可引起最严重的疟疾形式。PfHRP2被认为是恶性疟原虫特有的一种重要的生物标志物

有证据表明,对于恶性疟原虫而言,基于PfHRP2的检测方法比基于醛缩酶和LDH的检测方法更为灵敏。在人造血清(artificial serum)中可检测到的PfHRP2浓度低至8 ng/mL,足以用于诊断验证。每次测试涉及样品加载步骤和排气孔打开步骤,可在样本加载后20分钟内完成。因此,这种基于智能手机的POCT分析系统极大地减少了与疾病诊断相关的时间和复杂性。

尽管Ahn和他的研究团队在这项研究中使用这种实验室芯片测试疟疾,但是它也可用于即时测试(POCT诊断冠状病毒、HIV病毒、莱姆病等传染性疾病或很多其他疾病,比如抑郁和焦虑。

MCFA实验室芯片的性能与实验室测试相媲美。Ahn团队想要简化它,这样任何人都可以在没有培训或支持的情况下使用它。

论文第一作者、辛辛那提大学博士生Sthitodhi Ghosh说,“整个测试在MCFA实验室芯片上自动进行。你无需做任何事情。这是个人医疗保健的未来。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Sthitodhi Ghosh et al. A new microchannel capillary flow assay (MCFA) platform with lyophilized chemiluminescence reagents for a smartphone-based POCT detecting malaria. Microsystems & Nanoengineering, 2020, doi:10.1038/s41378-019-0108-8.

2.Smartphone lab delivers test results in 'spit' second
https://phys.org/news/2020-02-smartphone-lab-results.html
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