一種基于MDM的自動化POCT平臺

體外診斷（IVD）可以在不需要侵入性醫(yī)療手段的情況下，通過分析易于獲得的患者樣本來促進臨床決策，因而引起了人們的極大興趣。通常，集中檢測（centralized testing）需要收集大量樣本并需要將樣本運送到中心實驗室進行分析；與此對應，即時檢測（POCT）是在初級醫(yī)療保健機構、社區(qū)藥房、醫(yī)生辦公室或其他患者附近的分散式醫(yī)療站點進行IVD檢測，通過使用小型化檢測儀器，POCT檢測周轉時間短，試劑成本和樣品使用量少，從而有利于在資源有限的環(huán)境中進行診斷。

磁性數(shù)字微流控（Magnetic Digital Microfluidics，MDM）技術以液滴的形式操縱流體，是POCT的首選技術，特別是對于需要相對復雜的液體操縱程序和多個分離反應步驟的異質性檢測來說更是如此。MDM能夠進行大多數(shù)生物測定所需的各種液滴操作，如液滴移動、液滴混合、磁性微珠提取和液滴分配，這有助于開發(fā)用于POCT的全功能微流控平臺。

例如，利用基于MDM的自動化分子檢測平臺和聚合酶鏈式反應（PCR）技術檢測丙型肝炎病毒和衣原體。此外，一些基于MDM的平臺被證實可用于酶聯(lián)免疫吸附試驗（ELISA）；然而，目前還沒有一個平臺同時集成微流體控制和檢測系統(tǒng)，也沒有一個平臺可以作為用于POCT免疫診斷的獨立設備運行。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中新國際聯(lián)合研究院（China-Singapore International Joint Research Institute）等機構的研究人員提出了一種基于MDM的自動化POCT平臺，該平臺具有多種創(chuàng)新功能，非常適用于POCT免疫診斷。相關研究成果以“DropLab: an automated magnetic digital microfluidic platform for sample-to-answer point-of-care testing—development and application to quantitative immunodiagnostics”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

該MDM平臺又被稱為液滴實驗室（DropLab），集成了一個磁液滴操作模塊、一個基于成像的光學檢測模塊以及一個一次性DropLab芯片。

其中，平臺的操作模塊通過同步移動安裝在支架上的四個磁鐵，以預設的移動順序控制液滴的運動；光學檢測模塊則在透光條件下識別反應液滴并測量其強度；而DropLab芯片（如圖2a所示）由4個并行單元（如圖2b所示）組成，可用于對同一樣品進行多次重復檢測，也可在單個芯片上對不同樣品進行檢測。

此外，該平臺包含具有用戶友好界面的交互式軟件和一個可以輕松加載所有芯片的通用適配器，這可以減輕POCT情境下非專業(yè)人員對于醫(yī)療器械操作難度的擔心。

圖1 液滴實驗室（DropLab）平臺概覽

圖2 液滴實驗室（DropLab）芯片示意圖

酶聯(lián)免疫吸附試驗（ELISA）因其靈敏度高、定量能力強而被廣泛應用于免疫診斷。為了增強液滴的混合，提高ELISA中的清洗質量，該研究設計了一種特殊的磁鐵運動序列。所提出的混合策略通過在垂直方向往復移動以及在平面方向上按圓周移動磁鐵來引發(fā)液滴中磁性微珠的運動。

微珠運動的效果類似于攪拌顆粒，通過攪拌液體以實現(xiàn)高效混合。每個混合循環(huán)由1個垂直往復運動和1個圓周運動組成。為了評估所提出的混合策略的有效性，研究人員將一個黃色的（5 μL）液滴移動到一個純水的（50 μL）液滴中，并比較了使用混合策略和未執(zhí)行混合策略時合并液滴的一系列圖像。

如圖3g所示，當執(zhí)行混合策略（3個混合循環(huán)）時，液滴的均勻性在約54 s內達到了大于0.95的數(shù)值水平，而如果不使用所提出的混合策略（純擴散混合），液滴需要大約700 s才能達到類似的均勻性水平。

圖3 使用液滴實驗室（DropLab）平臺操作液滴

此外，為了驗證DropLab用于定量POCT免疫診斷的有效性，該研究共測試了三個靶點，包括兩種蛋白質抗原，即人C-反應蛋白（CRP）和人肌鈣蛋白C（TnC）；以及一種抗體，即抗新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）刺突（S）蛋白的人IgG抗體。結果表明，在DropLab平臺上進行的ELISA的檢測性能與在微孔板上進行的常規(guī)ELISA的檢測性能相當。

圖4 在液滴實驗室（DropLab）平臺進行的ELISA

綜上所述，該研究開發(fā)了一個基于磁性數(shù)字微流控（MDM）技術的自動化POCT平臺——液滴實驗室（DropLab）。該平臺包括一個用于自動液滴操作的電動運動控制模塊，一個用于結果采集的基于圖像的光學檢測模塊，以及一個比傳統(tǒng)微流控芯片更具成本效益的熱成型一次性芯片。同時，該平臺具有一個通用型適配器，能夠適用于各種類型的DropLab芯片，從而擴大對不同分子診斷和表型檢測的適用性。

此外，研究結果表明，DropLab能夠自動執(zhí)行如ELISA等需要多個階段液相和固相操作的復雜的異質性分析。由于DropLab完全自動化且易于操作，因此非常適合用于POCT免疫診斷，特別是在家庭診所、床邊和檢查室等初級醫(yī)療保健環(huán)境中。

與現(xiàn)有的POCT免疫診斷設備（如側向層析測定（LFAs））相比，DropLab提供了更靈敏和可定量的檢測結果，可以與傳統(tǒng)的微孔板ELISA相媲美。未來，進一步的研究將集中在通過加入更靈敏的光電探測器和用基于化學發(fā)光的免疫診斷分析取代ELISA來進一步提高DropLab的檢測限和動態(tài)范圍。

審核編輯：劉清