微流控電化學芯片實驗室平臺的設計

快速、準確和頻繁地檢測新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的RNA和該病毒宿主的血清抗體，將有助于確定以前曾感染過該病毒或接種過疫苗的新型冠狀肺炎（COVID-19）患者的免疫狀態(tài)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，哈佛大學Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員利用3D打印技術開發(fā)了一種微流控芯片實驗室（lab-on-a-chip，LOC）平臺，該平臺通過多路電化學輸出，可在2小時內同時檢測唾液中的SARS-CoV-2 RNA以及唾液和血漿中的抗SARS-CoV-2免疫球蛋白，有助于廣泛監(jiān)測COVID-19感染和免疫狀況。相關研究成果以“A lab-on-a-chip for the concurrent electrochemical detection of SARS-CoV-2 RNA and anti-SARS-CoV-2 antibodies in saliva and plasma”為題發(fā)表于Nature Biomedical Engineering期刊。

微流控電化學芯片實驗室平臺的設計

在考慮芯片實驗室（LOC）診斷器件的設計時，研究人員重點關注準確性、易用性以及與數(shù)字醫(yī)療平臺集成的能力。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員制造了一種微流控芯片，能夠利用未經(jīng)處理的唾液，以檢測同一電化學（EC）傳感器芯片上的病毒RNA和宿主抗體（圖1）。

圖1 多路電化學傳感器系統(tǒng)概覽

基于CRISPR的綜合分子診斷分析

在這項研究中，研究人員還設計了一種定制的核酸檢測分子分析方法，將等溫核酸擴增與基于CRISPR的酶檢測相結合，以唾液中的SARS-CoV-2病毒RNA為靶向。這可以通過開發(fā)和優(yōu)化生物素化ssDNA復制蛋白（RP）的RNA依賴性Cas12a切割來實現(xiàn)，該RP與基于芯片的多鏈霉親和素-辣根過氧化物酶（HRP）/3，3‘，5，5’-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）反應化學相互作用，比基于熒光的CRISPR-Cas12a分析方法更加靈敏，但得出結果的時間相似。

圖2 使用臨床樣本的CRISPR電化學檢測和檢測性能示意圖

多重血清學電化學檢測

此外，研究結果顯示，與傳統(tǒng)的ELISA相比，用于血清學檢測的EC傳感器，獲得了100%（100%靈敏度和100%特異性）的IgG檢測準確度。并且，研究人員表征了一種多重EC傳感器，可檢測針對各種抗體同種型（IgG、IgM和IgA）的相關病毒結構蛋白（S1-RBD、S1和N）的抗體，并能夠更深入地了解患者的體液反應。重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)同時多重檢測不同的病毒抗原可以提高診斷靈敏度。

圖3 多重血清學檢測示意圖

最后，研究人員設計并測試了一個與多路EC傳感器集成的微流控芯片實驗室平臺，用于同時檢測臨床唾液樣本中的RNA和IgG。該微流控芯片通過自動化原始唾液樣品制備、RNA擴增和基于CRISPR的RNA檢測步驟，消除了對RNA提取試劑盒的需求。憑借其緊湊和密封的設計，該芯片實驗室平臺減少了使用步驟，以避免引入可能的污染源或人為錯誤，以允許未經(jīng)培訓的用戶輕松地使用檢測器件，進一步增加其作為即時檢測系統(tǒng)的潛力。

圖4 該微流控電化學芯片實驗室平臺可用于多重傳感，同時檢測SARS-CoV-2病毒RNA和宿主抗病毒抗體。

總體而言，雖然研究人員開發(fā)的芯片實驗室平臺很有前景，但在這項技術可以較便利地用于臨床即時檢測之前，還需要解決一些瓶頸問題。首先，該系統(tǒng)使用蠕動泵來進行流體驅動，并使用恒電位儀來讀取EC傳感器芯片。電子電路、蠕動泵和恒電位儀讀出的進一步集成將構建一款強大的可重復使用系統(tǒng)，使這種多重診斷工具可用于醫(yī)療保健和臨床即時檢測。類似地，3D打印的微流控芯片可以通過改用注塑成型技術來實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造，其中LAMP和CRISPR檢測試劑預先測量、凍干并密封在盒內，以簡化分析使用。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00919-w

審核編輯 ：李倩