MEMS技術(shù)投入新冠肺炎的戰(zhàn)疫中

　　美國食品藥物管理局（US Food and Drug Administration; FDA）緊急授權(quán)加州Cepheid公司銷售一種快速篩檢導(dǎo)致新型冠狀肺炎（Covid-19）病毒SARS-CoV-2的新方法。Cepheid由Kurt Petersen、Allen Northrup和其他五個(gè)人于1996年創(chuàng)立，由于商業(yè)化基于微流體芯片的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）分析設(shè)備，而在MEMS領(lǐng)域頗負(fù)盛名。但這并不是Cepheid第一次迅速響應(yīng)這一類細(xì)菌或病毒等生物威脅。在2001年美國發(fā)生炭疽熱（anthrax）恐怖攻擊之后，Cepheid率先為美國郵政（U.S. Postal Service）提供了炭疽桿菌快篩能力，至今仍在使用中。

　　當(dāng)今所有Covid-19檢測方案的核心都是實(shí)時(shí)反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）分析技術(shù)。簡單來說，實(shí)時(shí)RT-PCR利用熱循環(huán)擴(kuò)增患者拭抹樣本中的DNA，然后透過熒光光學(xué)檢測來搜尋病毒的特定基因組。

　　這項(xiàng)測試首先需要了解病毒的基因組；中國科學(xué)家于2020年1月10日首次公開發(fā)表了SARS-CoV-全基因組測序的關(guān)鍵工作。在確定了該病毒的基因組后，以德國為主導(dǎo)的一支研究小組僅花了7天時(shí)間就發(fā)表了用于測試患者樣本的第一項(xiàng)方案，目前已由世界衛(wèi)生組織（World Health Organization；WHO）加以采用?，F(xiàn)在還有其他可能更快速也更經(jīng)濟(jì)的病毒檢測方法也在研究中，例如抗體檢測或CRISPR-Cas13測試等。

　　傳統(tǒng)的PCR設(shè)備需要數(shù)小時(shí)才能完成熱循環(huán)并取得結(jié)果。此外，由于患者拭抹樣本中潛在的病毒量較低以及擴(kuò)增DNA的固有限制，傳統(tǒng)的PCR方法可能會(huì)導(dǎo)致大量假陰性反應(yīng)。為了對抗傳染性疾病爆發(fā)，必須既快速又準(zhǔn)確地在患者等待的幾分鐘內(nèi)完成篩檢，以防止陽性患者被漏檢，而對于其他人造成不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

　　MEMS技術(shù)為PCR帶來了兩項(xiàng)重要優(yōu)點(diǎn)：縮減尺寸以及整合微流體。MEMS加熱器和反應(yīng)室的熱質(zhì)量很小，因此可顯著加快熱-冷循環(huán)，并在數(shù)分鐘內(nèi)迅速得到結(jié)果。這種用于樣本和試劑處理的微流體整合實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用的新技術(shù)，例如數(shù)字PCR （dPCR）。

　　數(shù)字PCR方法利用微流體信道將患者的樣本分成多個(gè)微孔數(shù)組或微滴乳狀液（稱為液滴數(shù)字PCR或ddPCR）等多個(gè)單獨(dú)的樣本。然后再將這些微量樣本進(jìn)行平行PCR處理，使其聚合后產(chǎn)生樣本中目標(biāo)分子總數(shù)。這種樣本的微觀平行處理顯著提高了檢測下限，從而提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　用于數(shù)字PCR的微流控室數(shù)組（來源：Combinati）

　　近來在湖北自然科學(xué)基金會(huì)（Hubei Natural Science Foundation）贊助的一項(xiàng)研究（）中，證實(shí)了采用基于MEMS和微流體的PCR工具與技術(shù)來檢測SARS-CoV-2，比傳統(tǒng)的PCR方法更具優(yōu)勢。在這項(xiàng)研究中，液滴數(shù)字PCR （ddPCR）和傳統(tǒng)PCR一并用于測試患者樣本。這項(xiàng)發(fā)表于今年3月6日的初步研究結(jié)果（尚待進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)證實(shí)）顯示，ddPCR的SARS-CoV-2檢測閾值比傳統(tǒng)PCR閾值低500倍。這一結(jié)果意味著，在患者樣本中病毒載量可能較低的情況下，ddPCR比傳統(tǒng)PCR更有可能準(zhǔn)確篩檢出陽性患者。

　　MEMS PCR芯片的開發(fā)始于1990年代初。美國勞倫斯利佛摩國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory；LLNL）由Allen Northrup領(lǐng)軍的研究小組于1993年發(fā)表了第一個(gè)基于硅的PCR芯片相關(guān)論文，該芯片后來也在1996年授權(quán)給Ceph??eid。過去幾十年來，有關(guān)如何使用MEMS材料和方法制造新穎PCR芯片，以及由硅、玻璃甚至塑料基材制成微型整體分析系統(tǒng)（uTAS）的研究一直在持續(xù)進(jìn)行中。

　　由美國勞倫斯利佛摩國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的Northrup等人開發(fā)的首款MEMS硅基PCR芯片（右）已授權(quán)給Cepheid；以及Cepheid現(xiàn)有的測試盒（右）（來源：Northrup MA， Ching MT， White RM， Watson RT， “DNA amplification in a microfabricated reaction chamber，” Transducers 1993， Yokohama， Japan. pp. 924–926.）

　　如今，學(xué)術(shù)研究人員正致力于使用微加工方法來開發(fā)高度整合的低成本系統(tǒng)，特別是用于定點(diǎn)照護(hù)（POC）。 最新的研究案例之一是韓國ETRI和Genesystem連手的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種低成本的手持式PCR原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有聚酰亞胺（聚合物）腔室、微加熱器以及整合的CMOS檢測器，可用于光學(xué)讀取結(jié)果（如下圖）。

　　可攜式PCR原型橫切面圖示意圖（左），包括腔室、加熱模塊和整合型光偵測器；以及整合測試盒（右）。（來源：DS Lee， OR Choi， and YJ Seo， “A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device，” Transducers 2019， Berlin， Germany pp. 1063-1065.）

　　這場與時(shí)間賽跑的Covid-19戰(zhàn)疫，也激發(fā)了全球科技公司的各種活動(dòng)和合作。晶體數(shù)字PCR先驅(qū)——法國Stilla Technologies已經(jīng)與中國公司合作，為鄭州和信陽市提供其Naica數(shù)字PCR系統(tǒng)，協(xié)助他們更有效檢測新型冠狀病毒并監(jiān)測其變異。在美國，加州Bio-Rad于2020年3月19日宣布，相較于使用qPCR的現(xiàn)有測試方法，其QX200液滴數(shù)字PCR系統(tǒng)在SARS-CoV-2的臨床檢測上提供了更高的靈敏度和精確度。根據(jù)美國FDA宣布的「緊急用戶許可證」（Emergency Use Authorization；EUA），Bio-Rad正與科羅拉多州的Biodesix合作，致力于使基于ddPCR的測試用于Covid-19檢測。甚至是以汽車和智能型手機(jī)MEMS傳感器而在MEMS產(chǎn)業(yè)中廣為人知的博世（Bosch），也將透過其Vivalytic分析儀與愛爾蘭公司Randox Laboratories Ltd合作，提供快篩解決方案。

　　博世Vivalytic分析儀和測試盒解決方案。（來源：Bosch GmbH）

　　此外，韓國也迅速征召其生物技術(shù)公司進(jìn)行更全面的測試，這有助于其更能確定Covid-19疫情并實(shí)施有效的控制措施。

　　我們衷心希望Cepheid和其他公司所提供的各種快篩測試都能在這場全球戰(zhàn)疫中發(fā)揮效用。隨著SARS、MERS和現(xiàn)在的Covid-19相繼流行，似乎可以肯定的一件事是，快速PCR檢測儀是對抗病毒爆發(fā)的一項(xiàng)重要醫(yī)療工具。全球正持續(xù)進(jìn)行研究和開發(fā)以降低成本、提升檢測結(jié)果的速度以及準(zhǔn)確性，很快地，我們預(yù)計(jì)將會(huì)在每一位醫(yī)生的診療室中看到配備著一臺(tái)利用MEMS技術(shù)增強(qiáng)的PCR設(shè)備。