一種用于多重即時(shí)免疫測(cè)定的可編程重力自驅(qū)動(dòng)微流控芯片設(shè)計(jì)

近年來，全球范圍內(nèi)的公共衛(wèi)生事件頻發(fā)，迫切需要高效的平臺(tái)進(jìn)行快速檢測(cè)進(jìn)而控制其傳播。然而，傳統(tǒng)的診斷方法通常涉及繁瑣且專業(yè)的操作步驟，需耗費(fèi)大量的時(shí)間。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，即時(shí)檢驗(yàn)（Point-of-care testing, POCT）逐漸嶄露頭角，利用便攜設(shè)備迅速提供結(jié)果，有助于應(yīng)對(duì)大流行疫情。

微流控芯片是POCT領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新，通過微通道和微結(jié)構(gòu)在微尺度上精確控制流體流動(dòng)、混合、分離和反應(yīng)，從而提高POCT的準(zhǔn)確性和效率。其中，重力驅(qū)動(dòng)微流控系統(tǒng)以其通用性和垂直流動(dòng)力顯示了巨大的前景。然而，值得注意的是，目前仍然缺乏能夠在不依賴外力的情況下自動(dòng)控制多種流體的重力驅(qū)動(dòng)微流控平臺(tái)。

2023年12月12日，華中科技大學(xué)生命學(xué)院劉筆鋒課題組在《Small》期刊上在線發(fā)表題為“Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip for Point-of-Care Multiplied Immunoassays”的研究文章。

該研究工作報(bào)道了一種獨(dú)特的可編程重力自驅(qū)動(dòng)微流控芯片（Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip：PGSMC），能夠同時(shí)進(jìn)行多試劑順序釋放、多靶標(biāo)分析和多芯片操作。只需垂直翻轉(zhuǎn) PGSMC 即可啟動(dòng)該過程實(shí)現(xiàn)流體順序釋放，無(wú)需額外的步驟或設(shè)備（圖1）。

圖1 PGSMC設(shè)計(jì)原理圖

為驗(yàn)證PGSMC順序釋放的可行性，研究團(tuán)隊(duì)分別進(jìn)行理論建模、數(shù)值模擬和實(shí)際驗(yàn)證。這些結(jié)果都表明在重力作用下延時(shí)通道可以逐一調(diào)節(jié)通道阻力進(jìn)而控制流體順序釋放（圖2）。

圖2 順序釋放原理闡述和驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證其功能，研究團(tuán)隊(duì)將PGSMC應(yīng)用于多重抗核抗體測(cè)試。結(jié)果顯示，PGSMC可以在60 min之內(nèi)完成即時(shí)免疫分析（傳統(tǒng)方法＞120 min），并且顯示了良好的特異性（圖3）。

圖3 基于PGSMC的抗核抗體免疫分析

最后研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)臨床樣本分析測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了PGSMC的實(shí)際應(yīng)用性。結(jié)果顯示，其達(dá)到了的96%的靈敏度、100%的特異性和99%的準(zhǔn)確性。

圖4 PGSMC在臨床應(yīng)用中的分析性能

綜上所述，該研究設(shè)計(jì)了一種可編程重力自驅(qū)動(dòng)微流控芯片，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不依賴外部驅(qū)動(dòng)器或設(shè)備。PGSMC能夠?qū)崿F(xiàn)可編程的多試劑釋放，多芯片操作和多靶標(biāo)分析，從而完成高通量測(cè)試。用戶只需添加試劑即可輕松獲得結(jié)果。此外，與傳統(tǒng)方法（>120 min）相比，它在不到60 min內(nèi)完成了抗核抗體免疫分析，并展示了良好的分析性能。針對(duì)25例臨床樣本的評(píng)估顯示出較好的敏感性（96%）、特異性（100%）和準(zhǔn)確性（99%）。這項(xiàng)研究為POCT提供了新思路，特別是自動(dòng)化流體控制方面。

華中科技大學(xué)劉筆鋒教授和陳鵬副教授為共同通訊作者。華中科技大學(xué)博士生袁慧娟、萬(wàn)超為共同第一作者。該工作的完成也離不開王鑫博士、李順基博士、謝寒博士、錢純亙博士，杜偉教授、馮曉均教授和李一偉教授等其他合作者的幫助。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

審核編輯：劉清