面对全球新冠战疫，MEMS助力病毒检测排头兵
2020-04-04 16:56:46 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
MEMS技术可以为PCR提供两个重要优势：缩小尺寸，以及微流控集成。MEMS加热器和反应腔室的热质量很小，因此可以显著加速热-冷循环，并在数分钟内迅速得到检测结果。
当前这场与时间赛跑的新型冠状病毒肺炎（Covid-19，以下简称：新冠病毒）世界“战疫”，激发了全球科技公司的努力和协作。
据麦姆斯咨询报道，2020年3月21日，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）紧急授权加利福尼亚Cepheid公司销售一种快速检测新冠病毒的新方法。Cepheid由Kurt Petersen、Allen Northrup等人创立于1996年，以其将基于微流控芯片的聚合酶链反应（PCR）分析设备商业化而在MEMS领域闻名于世。对于Cepheid来说，这已经不是其第一次迅速应对生物（病毒/细菌）威胁。在2001年美国发生炭疽恐怖袭击之后，Cepheid便率先向美国邮政（U.S. Postal Service）提供了一种快速检测炭疽的方案，并且至今仍在使用。
目前所有新冠病毒测试方案的核心都是实时逆转录聚合酶链反应（实时RT-PCR）分析技术。简单来说，实时RT-PCR利用热循环扩增患者拭子样本中存在的DNA，然后通过荧光检测来搜寻病毒的特定基因组。
因此，这种测试首先需要了解病毒的基因组。中国科学家于2020年1月10日首次发表了对新冠病毒完整基因组测序的关键工作。病毒基因组确定了以后，一支德国研究小组仅花了7天时间便发布了第一个也是目前世界卫生组织（WHO）正在采用的用于测试患者样本的检测方法。现在还有其它可能更快、更经济的病毒检测方法正在研究，例如抗体检测或CRISPR-Cas13检测等。
传统PCR需要数小时才能完成热循环并得到检测结果。此外，由于患者拭子样本中的病毒载量可能较低，限制了DNA扩增，从而有可能导致大量假阴性。在应对传染性疾病暴发时，测试必须又快（理想的是在患者等待的几分钟内就能完成）又准确，以防止阳性患者被漏检，为其它健康人群带来不必要的风险。
MEMS技术可以为PCR提供两个重要优势：缩小尺寸，以及微流控集成。MEMS加热器和反应腔室的热质量很小，因此可以显著加速热-冷循环，并在数分钟内迅速得到检测结果。这种用于样本和试剂处理的微流控集成已经实现了大规模应用的新技术，例如数字PCR（dPCR）。
数字PCR方法利用微流体通道将患者的样本分成很多微孔阵列或微滴乳液（后者称为液滴数字PCR或ddPCR），获得多个单独的样本。然后，对这些微量样本进行并行PCR处理，聚合后获得样本中目标分子的总数。这种微观并行处理显著提高了检测下限，从而提高了测试结果的准确性。
用于数字PCR的微流控腔室阵列
在2020年3月6日发表的一项由湖北自然科学基金资助的研究中，证明了与传统PCR相比，基于MEMS和微流控的PCR技术在检测新冠病毒中的优势。在这项研究中，液滴数字PCR（ddPCR）和传统PCR一起用于测试患者样本。初步研究的结果表明（尚待进一步临床验证），ddPCR的新冠病毒检测阈值比传统PCR阈值低500倍。这一结果意味着，在患者样本中病毒载量可能较低的情况下，与传统PCR相比，ddPCR更有可能准确检测出阳性患者。
MEMS PCR芯片的开发始于1990年代初。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的Allen Northrup研究小组于1993年发表了第一篇有关硅基PCR芯片的论文，该芯片最终于1996年许可给了Cepheid。数十年来，有关如何利用MEMS材料和方法制造新颖PCR芯片以及由硅、玻璃甚至塑料基材制成微型整体分析系统（uTAS）的研究一直在持续进行。
Northrup等人在劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的第一款MEMS硅基PCR芯片（左），后来许可给了Cepheid；现在的Cepheid测试盒（右）（来源：Northrup MA, Ching MT, White RM, Watson RT, “DNA amplification in a microfabricated reaction chamber,” Transducers 1993, Yokohama, Japan. pp. 924–926.）
据麦姆斯咨询报道，现在，学术研究人员正致力于利用微加工方法开发高度集成的低成本系统，特别是针对即时检测应用。韩国电子通讯研究院（ETRI）和Genesystem的一支研究团队开发了一种低成本的手持式PCR原型系统，该系统具有聚酰亚胺腔室和微型加热器以及用于结果光学读出的集成CMOS图像传感器。
便携式PCR原型剖面示意图（左），包括腔室、加热模块和集成CMOS图像传感器；以及集成测试盒（右）（来源：DS Lee, OR Choi, and YJ Seo, “A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device,” Transducers 2019, Berlin, Germany pp. 1063-1065.）
这场与时间赛跑的新冠病毒“战疫”激发了全球科技公司的努力和协作。总部位于法国的Stilla Technologies是晶体数字PCR的先驱，已经与中国厂商合作为河南郑州市及信阳市提供Naica数字PCR系统，以帮助当地更好地检测新型冠状病毒，并监测其突变。在美国，总部位于加利福尼亚的Bio-Rad于2020年3月19日宣布，与使用qPCR进行的现有测试方法相比，其QX200液滴数字PCR系统对新冠病毒的临床检测具有更高的灵敏度和准确度。遵照美国FDA医疗产品紧急使用授权（EUA），Bio-Rad正在与科罗拉多州的Biodesix合作，致力于将ddPCR测试用于新冠病毒检测。
此外，在汽车和智能手机MEMS传感器领域广为人知的德国博世（Bosch），也在近日宣布开发出针对新冠病毒的快速检测方案，可以在2.5小时内出诊断结果，且不需要送到实验室。这种快速分子诊断检测将搭载在博世医疗健康解决方案业务部（Bosch Healthcare Solutions）开发的Vivalytic分析仪上进行。
Vivalytic分析仪和测试盒将于2020年4月开始在德国投入使用，随后在欧洲和全球其他地区相继推出
韩国通过快速发动其生物技术公司进行更广泛的测试，助其更好地确定新冠病毒疫情，并实施有效的控制措施。希望Cepheid及其它科技公司现在提供的快速检测方法在这场全球“战疫”中同样有效。基于SARS、MERS以及目前新冠病毒的连续流行，似乎可以肯定的一件事是，快速PCR是应对病毒大爆发的一种重要医疗工具。随着全球范围内以降低成本、提高速度和准确性为目的的持续研发，我们或能期待在每个医生办公室中都可以配备一台利用MEMS技术增强的PCR。
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