数字微流控平台帮助快速、灵敏检测抗生素耐药性
2017-07-28 22:05:23 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
由Hywel Morgan教授带领的一个南安普敦大学团队现在开发出一种具有成本效益、高灵敏度和便携的数字微流体设备，可利用RPA和芯片荧光定量检测从患者样品中提取的DNA中的耐药基因。研究人员希望该平台能够形成易用的一次性设备的基础，让医院或社区医生可以常规使用。
在全球范围内，抗生素耐药性是对人类健康不断上升的重大威胁。目前迫切需要开发易用的、可以即时诊断耐药性的敏感性试验，从而可以开出合适的抗生素处方，挽救患者生命。
然而，传统的抗生素耐药性检测方法均是基于细胞培养技术或聚合酶链反应(PCR)测定，其中两者都不适用于即时诊断。
由Hywel Morgan教授带领的一个南安普敦大学团队现在开发出一种具有成本效益、高灵敏度和便携的数字微流体设备，可利用RPA和芯片荧光定量检测从患者样品中提取的DNA中的耐药基因。研究人员希望该平台能够形成易用的一次性设备的基础，让医院或社区医生可以常规使用，以在严重感染患者中确定多种抗生素耐药基因，从而尽快开始最佳治疗。
数字微流体平台使用的是薄膜晶体管(TFT)控制的介质上电润湿(EWOD)技术或有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)技术。由南安普敦团队开发的AM-EWOD芯片包含16800个单独的软件控制电极，可以二维操纵含有反应物、样品和对照物的纳升级液滴，以及确定液滴的大小和形状。该芯片还包括用于实时液滴定位和大小检测的内置阻抗传感器，用于温度感知的芯片热敏电阻，和用于将液滴温度保持在RPA反应的最佳温度39°C的集成加热器。
研究人员利用其原型AM-EWOD设备扩增和检测从大肠杆菌提取的DNA中的广谱 β-内酰胺酶耐药基因blaCTX-M-15。使用芯片时，首先通过移液管将DNA液滴、RPA反应混合物、醋酸镁和对照液滴装入储存器电极，然后将这些液滴或子液滴的等分试样从软件控制下的储存器转移到芯片上的预定位置，并使用程序化的混合顺序进行混合，以便RPA反应可以继续进行。扩增后，另一个软件控制顺序将液滴转移到芯片上的荧光检测位置。
反应液滴不断地来回穿梭，以加快混合和RPA反应速度。Morgan 教授说，这种连续混合可以将目标DNA检测速度提高为台式RPA测定法的 100 倍。“该芯片能够在约15分钟内检测单个blaCTX-M-15基因拷贝。”使用纳升级液滴也意味着其所需试剂比常规台式测定法所需的试剂少约50倍。
Morgan教授的团队在一篇题为“Rapid and sensitive detection of antibiotic resistance on a programmable digital microfluidic platform”（可编程数字微流控平台上抗生素耐药性的快速灵敏检测）的论文中介绍了芯片实验室的技术。“自论文发表以来，我们在同一芯片上进行了多重测定，以检测三种不同的细菌耐药基因。”Morgan教授说，“可以使用单个芯片来识别导致感染的微生物，并确定该微生物是否对某些抗生素有耐药性。”
在随后的工作中，该团队开发了一种将半导体TFT纳米带传感器与RPA结合在一起的芯片器件，以提供基于pH的电子读出系统。他们表示这种检测方法比使用exo-探针来定量扩增的目标 DNA的常规荧光检测更快速、更灵敏。在检测中，pH传感器技术能够在15分钟内从大肠杆菌或肺炎克雷伯菌临床分离株提取的基因组DNA中检测少于10个拷贝的抗生素耐药基因，对于有100个拷贝的基因，能够在3分钟内获得阳性结果。Morgan 教授说，晶体管易于制造且成本低廉，并且可以轻易地整合到数字微流体系统中。他们在《Biosensors and Bioelectronics》上发表了一篇题为“Ultra-fast electronic detection of antimicrobial resistance genes using isothermal amplification and Thin Film Transistor sensors”（使用等温扩增和薄膜晶体管传感器的抗微生物耐药基因的超快速电子检测）的论文，报告了pH传感器技术。
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