微流控技術(shù)在病原微生物檢測中的研究進展

快速、準(zhǔn)確地檢測病原微生物對于疫情防控和保障人民生命健康具有重大意義。近幾年，研究者們通過合理地設(shè)計微流控芯片，將Elveflow微流控技術(shù)與各種檢測技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)開發(fā)出了多種用于病原微生物檢測的技術(shù)方法。相較于傳統(tǒng)的病原微生物檢測技術(shù)，Elveflow微流控檢測技術(shù)優(yōu)勢突出，具有操作人員技術(shù)要求不高、樣本需求量少和自動化程度高等優(yōu)點，適用于各種復(fù)雜環(huán)境下病原微生物的精準(zhǔn)、快速檢測。本文對Elveflow微流控技術(shù)在病毒、細菌、真菌、衣原體及支原體等病原微生物的檢測應(yīng)用進行了綜述，以期為病原微生物的檢測提供研究思路，促進微流控技術(shù)在病原微生物檢測中的發(fā)展，提高對疾病的預(yù)防和控制能力。
微流控（microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升）的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)。Elveflow微流控系統(tǒng)通常包含閥門、微通道、反應(yīng)室、壓力系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，通過控制微流控裝置內(nèi)流體的運動來實現(xiàn)樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等功能。Elveflow微流控技術(shù)能夠控制微小流體，整合多種反應(yīng)，其在病原微生物檢測中可以在微觀水平上精確控制樣品體積并減少體內(nèi)和體外環(huán)境之間的差異，進而達到縮短反應(yīng)時間和降低檢測成本的目的，具有快速、準(zhǔn)確、樣品消耗少等優(yōu)點，為病原微生物的檢測提供了廣闊的前景。
基于Elveflow微流控技術(shù)的病毒檢測方法主要針對病毒細胞數(shù)量、表面特異性蛋白和特異性核酸片段來開展檢測。基于病毒細胞培養(yǎng)的空斑測定法是病毒鑒定和診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但存在通量低、所需樣品量大等問題，因此 Su 等設(shè)計了可以同時培養(yǎng)5種病毒的聚二甲硅氧烷芯片，該芯片系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了病毒的高效鑒定，還完成了病毒的分離和抗病毒藥物的篩選，具有通量高和檢測樣本量少的優(yōu)點。
為了在Elveflow微流控檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)對多靶標(biāo)蛋白的靈敏識別，Guan 等設(shè)計了一個集成兩種單克隆抗體（mAb）的微流體系統(tǒng)，用于腸道病毒71（EV71）的靈敏檢測。該系統(tǒng)將EV71 的主要衣殼蛋白VP1 的單克隆抗體1F4 和2H2 分別與羧基官能化磁珠和羧基官能化量子點偶聯(lián)，最后通過熒光強度來直接評估靶標(biāo)蛋白的濃度。該微流體系統(tǒng)在30 min 內(nèi)對VP1 的檢測限（LOD）達到10pg/mL，與使用相同抗體的夾心酶聯(lián)免疫吸附試驗的結(jié)果（310 pg/mL）相比，提升了31 倍。
細菌是許多疾病的病原體，可以通過皮膚、消化道、呼吸道、血液等方式傳播疾病，具有較強的傳染性。快速、高靈敏、高特異性的病原菌現(xiàn)場檢測已成為迫切需要，現(xiàn)有的細菌檢測方法存在操作繁瑣、耗時長等問題，無法滿足即時檢測的需求；微流控芯片技術(shù)由于其小型化、便攜性好和低試劑消耗，為各分析物提供了一種方便、快捷的檢測工具。
為了進一步提高靈敏度，Kao 等研究了一種新型的微流控免洗熒光原位雜交（FISH［24］）液滴檢測系統(tǒng)。其將樣品與試劑混合并裝入微流體盒中，通過離心使微流體乳化，將樣品制成微液滴用于細菌包封，使用鎖定核酸的LNA/DNA 分子信標(biāo)和基于NaCl 尿素的雜交緩沖液，然后進行原位滲透、雜交和信號檢測。該檢測系統(tǒng)以大腸桿菌、肺炎克雷伯菌和奇異變形桿菌為對象進行驗證，檢測限為3×103 bacteria/mL，該系統(tǒng)達到單細胞靈敏度水平。
真菌感染可導(dǎo)致嚴(yán)重的臨床結(jié)果，如引發(fā)多器官衰竭和感染性休克，因此對真菌的快速檢測是治療真菌感染疾病的關(guān)鍵。常規(guī)真菌檢測方法包括血培養(yǎng)、平板培養(yǎng)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這些方法普遍存在耗時長、需要昂貴設(shè)備等問題。隨著Elveflow微流控芯片技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家將微流控芯片與真菌檢測相結(jié)合，實現(xiàn)了更高的檢測效率和準(zhǔn)確性。Soares等報道了一種新型的超快速單步熒光競爭性免疫分析方法，利用Elveflow微流控室中固定的、經(jīng)功能化納米多孔瓊脂糖珠修飾的蛋白質(zhì)來檢測黃曲霉素B1，檢測時間為2 min，檢測限為1 ng/mL。為了實現(xiàn)對真菌的靈敏檢測，Schell 等開發(fā)了一種數(shù)字微流控實時PCR 平臺，用于檢測血液中白色念珠菌的DNA，與金標(biāo)準(zhǔn)法相比，總靈敏度達到94%。隨著各種真菌毒素特異性單克隆抗體的開發(fā)以及針對單一或多種真菌毒素的免疫親和柱的建立，Elveflow微流控芯片高通量、高靈敏度、靈巧和快速的優(yōu)勢將在真菌的同步檢測中更加突出。
從整個微流控技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展角度來，未來隨著材料科學(xué)與電子測量技術(shù)的發(fā)展，多重信號放大融合的多靶標(biāo)檢測的微流控平臺可能開辟出更有發(fā)展應(yīng)用前景的POCT 新途徑：（1）多納米技術(shù)與新材料的融合。臨床診斷和環(huán)境監(jiān)測中的許多樣品都比較復(fù)雜，其中存在多種不同的物質(zhì)，由于背景信號較強，可能會干擾檢測過程。集成先進的納米技術(shù)有利于樣品的富集，同時選擇用于信號轉(zhuǎn)換的材料可以大大提高微流控傳感的效率。（2）同時分析多種不同類型重要生物標(biāo)志物。在臨床診斷、治療和預(yù)后中，進行多靶標(biāo)檢測以確保準(zhǔn)確評估是必不可少的。因此，將蛋白質(zhì)、核酸等多種生物標(biāo)志物的檢測以全自動的方式整合到一個平臺上，不僅可以在不同層面提供有價值的疾病信息，提高檢測的可信度，還可以促進POCT 的實際應(yīng)用。合理設(shè)計的Elveflow微流控芯片，結(jié)合先進的檢測技術(shù)和多功能材料，有望實現(xiàn)廣泛的臨床應(yīng)用。

審核編輯 黃宇