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微流控電化學(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)

MEMS ? 來(lái)源:麥姆斯咨詢 ? 作者:麥姆斯咨詢 ? 2022-08-17 11:30 ? 次閱讀

快速、準(zhǔn)確和頻繁地檢測(cè)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(guò)該病毒或接種過(guò)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(bào)道,近期,哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種微流控芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip,LOC)平臺(tái),該平臺(tái)通過(guò)多路電化學(xué)輸出,可在2小時(shí)內(nèi)同時(shí)檢測(cè)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(cè)COVID-19感染和免疫狀況。相關(guān)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(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)

在考慮芯片實(shí)驗(yàn)室(LOC)診斷器件的設(shè)計(jì)時(shí),研究人員重點(diǎn)關(guān)注準(zhǔn)確性、易用性以及與數(shù)字醫(yī)療平臺(tái)集成的能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),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(cè)同一電化學(xué)(EC)傳感器芯片上的病毒RNA和宿主抗體(圖1)。

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圖1 多路電化學(xué)傳感器系統(tǒng)概覽

基于CRISPR的綜合分子診斷分析

在這項(xiàng)研究中,研究人員還設(shè)計(jì)了一種定制的核酸檢測(cè)分子分析方法,將等溫核酸擴(kuò)增與基于CRISPR的酶檢測(cè)相結(jié)合,以唾液中的SARS-CoV-2病毒RNA為靶向。這可以通過(guò)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化生物素化ssDNA復(fù)制蛋白(RP)的RNA依賴性Cas12a切割來(lái)實(shí)現(xiàn),該RP與基于芯片的多鏈霉親和素-辣根過(guò)氧化物酶(HRP)/3,3‘,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)反應(yīng)化學(xué)相互作用,比基于熒光的CRISPR-Cas12a分析方法更加靈敏,但得出結(jié)果的時(shí)間相似。

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圖2 使用臨床樣本的CRISPR電化學(xué)檢測(cè)和檢測(cè)性能示意圖

多重血清學(xué)電化學(xué)檢測(cè)

此外,研究結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)的ELISA相比,用于血清學(xué)檢測(cè)的EC傳感器,獲得了100%(100%靈敏度和100%特異性)的IgG檢測(cè)準(zhǔn)確度。并且,研究人員表征了一種多重EC傳感器,可檢測(cè)針對(duì)各種抗體同種型(IgG、IgM和IgA)的相關(guān)病毒結(jié)構(gòu)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(yīng)。重要的是,研究人員還發(fā)現(xiàn)同時(shí)多重檢測(cè)不同的病毒抗原可以提高診斷靈敏度。

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圖3 多重血清學(xué)檢測(cè)示意圖

最后,研究人員設(shè)計(jì)并測(cè)試了一個(gè)與多路EC傳感器集成的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái),用于同時(shí)檢測(cè)臨床唾液樣本中的RNA和IgG。該微流控芯片通過(guò)自動(dòng)化原始唾液樣品制備、RNA擴(kuò)增和基于CRISPR的RNA檢測(cè)步驟,消除了對(duì)RNA提取試劑盒的需求。憑借其緊湊和密封的設(shè)計(jì),該芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)減少了使用步驟,以避免引入可能的污染源或人為錯(cuò)誤,以允許未經(jīng)培訓(xùn)的用戶輕松地使用檢測(cè)器件,進(jìn)一步增加其作為即時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的潛力。

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圖4 該微流控電化學(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)可用于多重傳感,同時(shí)檢測(cè)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(kāi)發(fā)的芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)很有前景,但在這項(xiàng)技術(shù)可以較便利地用于臨床即時(shí)檢測(cè)之前,還需要解決一些瓶頸問(wèn)題。首先,該系統(tǒng)使用蠕動(dòng)泵來(lái)進(jìn)行流體驅(qū)動(dòng),并使用恒電位儀來(lái)讀取EC傳感器芯片。電子電路、蠕動(dòng)泵和恒電位儀讀出的進(jìn)一步集成將構(gòu)建一款強(qiáng)大的可重復(fù)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(shí)檢測(cè)。類似地,3D打印的微流控芯片可以通過(guò)改用注塑成型技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造,其中LAMP和CRISPR檢測(cè)試劑預(yù)先測(cè)量、凍干并密封在盒內(nèi),以簡(jiǎn)化分析使用。

論文鏈接:

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

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:微流控電化學(xué)芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái),可同時(shí)檢測(cè)新冠病毒RNA和抗體

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