2020年疫情之初，迅速暴增的感染人數(shù)給病原體核酸檢測帶來巨大的挑戰(zhàn)，北京航空航天大學微納生物芯片專家、常凌乾及團隊，與四川大學華西醫(yī)院一起承擔了新冠病毒核酸檢測緊急專項，研發(fā)出能在25分鐘之內(nèi)快速核酸檢測的便攜式設備。如今，雙方再次攜手，

2020年疫情之初，迅速暴增的感染人數(shù)給病原體核酸檢測帶來巨大的挑戰(zhàn)，北京航空航天大學微納生物芯片專家、常凌乾及團隊，與四川大學華西醫(yī)院一起承擔了新冠病毒核酸檢測緊急專項，研發(fā)出能在25分鐘之內(nèi)快速核酸檢測的便攜式設備。

如今，雙方再次攜手，這次他們要幫助的對象，是我國中西部地區(qū)貧困山區(qū)，例如，四川大涼山貧困地區(qū)的結核病人。這些地方，結核桿菌引起的呼吸道疾病依然比較嚴重，且成為一種致命性流行病。結核病，是由結核分枝桿菌引起的傳染病，也是致死率最高的單傳染病原體之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，2019年結核病導致1000多萬新感染病例，140萬人死亡。因此，快速準確診斷疑似結核病攜帶者的方法，仍然是抑制其傳播的關鍵。要想判斷是否患有這種疾病，就得進行結核桿菌檢測，這時就需要大型核酸檢測設備。但這種儀器價格昂貴，對實驗室和專業(yè)人員的要求都比較高，一般都局限在三甲醫(yī)院檢驗科，很難應用在偏遠地區(qū)。

這些因素都阻礙了結核病在偏遠地區(qū)的快速篩查診斷。因此，迫切需要設計低成本、易于操作且準確的平臺來彌合這一差距。

經(jīng)過一年多的研發(fā)和驗證，常凌乾及團隊制造出一種低成本、便攜式的微流控裝置，并給其命名為Fd-MC（finger-driven disposable micro-platform ）。這種既不需要電，也不需要額外設備，此外還得價格便宜、測試快速，總之一切都要以簡單為主。

這種裝置同時具備低成本、便攜、手指驅動等特點，并搭載重組酶聚合酶核酸等溫擴增技術，集核酸提取、擴 增、檢測于一體，可對痰液樣本中的結核桿菌實現(xiàn)便攜現(xiàn)場快速檢測。只需動動手指，就能在一個完全分離的微通道中，完成完整的結核病診斷過程。

日前，相關論文已由合作雙方發(fā)在Biosensors ＆Bioelectrnics（IF: 10.6）上，論文題為 《基于等溫擴增的手指驅動一次性微平臺在結核病多點診斷中的應用》（A finger-driven disposable micro-platform based on isothermal amplification for the application of multiplexed and point-of-care diagnosis of tuberculosis） 。第一作者是北航博士生王之瑩，共同通訊作者分別是北航常凌乾教授、以及華西醫(yī)院檢驗科主任應斌武教授。

圖 | 相關論文（來源：受訪者）

可擺脫對電力、外部泵的依賴

Fd-MC大約有手掌那么大，長度55mm、寬度66mm、厚度5mm，上面有一個直徑1.6mm的樣品注入孔，還有兩個用于存儲相應緩沖液的圓柱形腔，以及用于DNA提取的微通道。

芯片基底采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）進行激光刻蝕，并在緩沖液儲存室的上表面覆蓋彈性膜。當按壓彈性膜時，可直接驅動液體在微流道中流動，從而可擺脫對電力、外部泵的依賴。

此外，在芯片上設計了“W”形通道的DNA提取區(qū)，并在內(nèi)部填充二氧化硅顆粒，基于二氧化硅對病原體的核酸進行固相萃取。當樣品進入到微通道與硅粒子混合時，在高濃度的鹽離子作用下，樣品中帶負電荷的DNA分子通過陽離子鹽橋與硅粒子結合，從而被吸附于二氧化硅珠上。

研究中，常凌乾團隊采用基于FAM探針的原位熒光策略，通過手持式紫外燈，可用肉眼讀取芯片的結果。因此在避免感染或環(huán)境污染的風險方面，F(xiàn)d-MC具有獨特的優(yōu)勢。

在檢測區(qū)，常凌乾團隊設計了5個平行的“y形”反應區(qū)“y形”反應區(qū)由“y形”通道和圓柱形腔室組成，每個“y形”腔室由一個小的通道連接。一旦液體進入檢測區(qū)域，將首先填滿“y形”通道，直到裝置被輕微搖晃才會流入到裝載有RPA反應物的圓柱形腔室。這種設計可以建立一個物理分區(qū)，允許每個室形成一個獨立的環(huán)境，避免液體流動造成的交叉污染。

該團隊在多重檢測中，針對人型結核分枝桿菌(MTB)、 結 核 分 枝 桿 菌 復 合 群(MTBC)、分枝桿菌(MB)，分別設計 RPA 特異性引物。該芯片不僅能識別結核/非結核感染，還能區(qū)分人結核分枝桿菌/牛結核分枝桿菌。

在操作時，把經(jīng)過前處理的痰液或者咽拭子加到進樣口，依次用手指按壓兩個彈性膜。然后，將芯片置于 37-42℃的溫度，20 分鐘之內(nèi)即可實現(xiàn)核酸等溫擴增。測試完之后，將芯片置于設計的小型讀取設備中，并用手機App進行拍照，通過熒光顯色，表明受測者是否患有結核，甚至還能檢測結核的亞型。

總的來說，F(xiàn)d-MC能夠實現(xiàn)芯片上的“樣本輸入和結果輸出”，集成了包括從結核病病原體中提取DNA、基于RPA（重組酶聚合酶擴增）的熒光可視化的多個操作步驟。

37個樣本，全部檢查正確

Fd-MC通過37個臨床樣本進行了驗證，包括奇美拉分枝桿菌、鳥分枝桿菌、胞內(nèi)分枝桿菌、戈登分枝桿菌和膿腫分枝桿菌，以及由中國四川大學華西醫(yī)院提供的20份臨床陽性痰樣本，和健康志愿者們捐贈的10份健康痰樣本。所有臨床樣本均經(jīng)華西醫(yī)院經(jīng)倫理批準確認。

驗證結果表明，與商業(yè)實時熒光RPA相比，在對37個臨床樣本的檢測中，F(xiàn)d-MC獲得了100%的特異性（指正確檢測陰性樣本的能力)，敏感度(指正確檢測陽性樣本的能力）為95.2%。

與其他需要外部驅動泵或離心的微流控裝置不同，F(xiàn)d-MC通過手指按壓驅動液體流動的方式，對樣本進行DNA固相提取和RPA擴增，操作簡單快捷，消除了對技術人員的需要。

Fd-MC的一個顯著賣點是其較低的成本。以GeneXpert為例，這種大型儀器的成本為17500美元，年度維護費為1800美元，大大限制了在偏遠地區(qū)的應用。相比之下，F(xiàn)d-MC所需材料包括微流控芯片、RPA緩沖液、酶和引物在內(nèi)的所有元素，總成本小于8美元。而且，F(xiàn)d-MC的檢測速度快，包括DNA提取和RPA擴增的總時間控制在30min內(nèi)（qPCR通常是2小時），這有利于結核病的快速篩查。

在未來，常凌乾團隊也考慮將Fd-MC和數(shù)字RPA的結合可以準確地定量DNA濃度。通過將RPA試劑分配到帶有微孔陣列的芯片中，經(jīng)過RPA反應后，檢測發(fā)出熒光的孔（陽性孔）。對于低濃度的DNA模板，陽性孔的數(shù)量低于高濃度的DNA模板。因此，可以通過計數(shù)陽性孔的數(shù)量進行定量分析，從而識別低濃度的病原體。

總的來說，該團隊設計了一款手指驅動式的微流控芯片，該通用的POC平臺有望在資源有限的環(huán)境中，進行快速、現(xiàn)場、大規(guī)模的傳染性病原體篩查。

該技術已啟動轉化落地

2020年初，疫情的突然造訪，導致大量樣本等待篩查。為此四川省啟動了緊急重點專項，并由四川大學生物治療國家重點實驗室教授耿佳，和華西醫(yī)院實驗醫(yī)學科主任應斌武一起牽頭，聯(lián)合北航常凌乾團隊，開始了新冠病毒核酸檢測的緊急事業(yè)，并隨著合作研究的深入，逐漸延伸到其他種類的病原體檢測。

雙方此前也在技術轉化方面進行了長期合作。論文和專利公開以后，該技術已開始尋求技術轉化。