美研究人員利用手機(jī)攝像頭實(shí)現(xiàn)血液中罕見蛋白的快速低成本檢測

醫(yī)學(xué)診斷的前沿之一是努力開發(fā)更敏感的血液測試。檢測極其罕見的蛋白質(zhì)的能力可能在許多情形下，比如早期檢測某些癌癥或者診斷創(chuàng)傷性腦損傷以挽救生命，在這些情形下，相關(guān)的生物標(biāo)志物僅以極少量出現(xiàn)。超敏感蛋白質(zhì)檢測的商業(yè)方法開始變得可用，但是它們基于昂貴的光學(xué)器件和流體處理器，這使得它們相對笨重且昂貴，從而限制它們在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的使用。

具有這類作為即時(shí)檢測設(shè)備的診斷系統(tǒng)對許多疾病（特別是創(chuàng)傷性腦損傷）至關(guān)重要。在一項(xiàng)新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種使用現(xiàn)成組件并能夠在幾分鐘內(nèi)檢測單個蛋白質(zhì)的測試方法，而傳統(tǒng)的工作流程可能需要數(shù)天時(shí)間。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年3月5日的PNAS期刊上，論文標(biāo)題為“Mobile platform for rapid sub–picogram-per-milliliter, multiplexed, digital droplet detection of proteins”。論文通訊作者為賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系助理教授David Issadore。論文第一作者為賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系研究生Venkata R. Yelleswarapu。

通過使用標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)攝像頭和一組頻閃LED燈，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室所用的微流體液滴發(fā)生器，Issadore及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種比標(biāo)準(zhǔn)蛋白測試方法靈敏一千倍的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是手持式的，而且比當(dāng)前首次推入市場的最先進(jìn)的蛋白質(zhì)測試方法便宜得多。

作為標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)檢測方法，酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）涉及將抗體附著到感興趣的蛋白質(zhì)上，隨后測量在與這些抗體連接在一起的酶的作用下，樣品發(fā)生的顏色變化。這個過程快速而簡單，足以整合到即時(shí)檢測設(shè)備中，比如家庭HIV測試，但是僅當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度很高時(shí)才能起作用。

目前很少有創(chuàng)傷性腦損傷的生物標(biāo)志物，這是因?yàn)檫@種損傷的蛋白質(zhì)標(biāo)志物很少能夠通過血腦屏障。醫(yī)學(xué)人員最近才證實(shí)任何此類標(biāo)志物都可用于血液測試，并且鑒于它們的超低濃度，這類測試需要比標(biāo)準(zhǔn)的ELISA陣列靈敏得多。

Issadore說，“敏感度要高出一千倍，我們的意思是如果我們有一小瓶僅有少量相關(guān)蛋白質(zhì)的血液，那么我就能夠準(zhǔn)確地確定這些蛋白質(zhì)的數(shù)量，然而，傳統(tǒng)的測試方法無法可靠地區(qū)分這小瓶血液和里面沒有這些蛋白的血液。當(dāng)人們不斷地增加這些蛋白質(zhì)的數(shù)量時(shí)，傳統(tǒng)的測試方法將最終能夠檢測它們，但是相比而言，我們能夠在濃度低一千倍的情形下定量檢測它們的數(shù)量。”

Issadore的方法是每次測量一種蛋白質(zhì)，將樣品分解成微液滴（microdroplet），每個微液滴要么含有單個蛋白質(zhì)，要么根本不含有。他的實(shí)驗(yàn)室在微流體技術(shù)方面的專業(yè)知識已制造出經(jīng)蝕刻后具有數(shù)百個微液滴發(fā)生器的微芯片，其中所有的這些微液滴發(fā)生器是都并行工作的。

Issadore說，“通常情況下，你必須非常準(zhǔn)確地測量樣品發(fā)生顏色變化或發(fā)出熒光，但是在這項(xiàng)新的研究中，我們將它變成了數(shù)千萬個是或否的問題。將這個問題數(shù)字化降低了攝像頭和周圍流體處理設(shè)備的成本，但是會將這個問題以一種可重復(fù)的、準(zhǔn)確的、便宜的和便攜的方式轉(zhuǎn)化為如何處理這數(shù)千萬個是或否的問題。”

雖然現(xiàn)成的攝像頭可以檢測微液滴是否含有熒光標(biāo)記物結(jié)合的蛋白質(zhì)，但最大的挑戰(zhàn)是加快這一過程。現(xiàn)有的數(shù)字液滴檢測器將這些微液滴排成一行，這樣就以一次一個微液滴的方式測量它們。這樣的系統(tǒng)是準(zhǔn)確的，但體積大且昂貴。它們也具有有限的通量，這是因?yàn)橐砸淮我粋€微液滴的方式需要觀察數(shù)百萬個微液滴。Yelleswarapu說，“如果需要測量5000萬個微液滴，那么按照常規(guī)技術(shù)的通量，一秒測1000個微液滴仍然是相當(dāng)慢的?！?/p>

這些研究人員讓這些微液滴流進(jìn)數(shù)百個允許攝像頭同時(shí)經(jīng)過的通道而不是一個通道中。然而，面臨的瓶頸是攝像頭如何能夠快速地捕獲這些數(shù)據(jù)。

Yelleswarapu說，“通常而言，這不會起作用，這是因?yàn)樵趶钠胀〝z像頭的曝光時(shí)間內(nèi)來自兩個彼此相鄰的微液滴的信號會重疊。手機(jī)攝像頭每秒拍攝大約一百張圖片，這對于我們解決這些微液滴來說太慢了。但是如果你用來照亮微液滴閃光燈的光源比手機(jī)攝像頭的幀頻快一千倍，那么你就能夠使用這種手機(jī)攝像頭?！?/p>

讓Issadore團(tuán)隊(duì)的方法發(fā)揮作用的技巧是用一種信號對微液滴閃光燈進(jìn)行編碼，這種信號可以讓彼此相鄰的微液滴分離開來。

Issadore說，“通過一種借鑒雷達(dá)的技術(shù)，我們以一種非常特殊的從不重復(fù)的模式對光線進(jìn)行選擇。當(dāng)這些信號穿過屏幕時(shí)，它們會印上這個條形碼。因此即便它們彼此重疊，我們也能夠通過哪個選通脈沖照亮每個微液滴來區(qū)分它們?！?/p>

Issadore團(tuán)隊(duì)之前已發(fā)表過關(guān)于創(chuàng)傷性腦損傷標(biāo)志物的文章，并且正在與長老會醫(yī)院（Presbyterian Hospital）一起研究腦損傷患者。他們還在成立了一家衍生公司Chip Diagnostics，旨在為早期癌癥診斷和創(chuàng)傷性腦損傷開發(fā)檢測試劑盒。