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一种自动化磁性数字微流控平台,用于“从样品到结果”的定量POCT免疫诊断
2023-01-15 10:11:15   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

磁性数字微流控技术以液滴的形式操纵流体,是POCT的首选技术,特别是对于需要相对复杂的液体操纵程序和多个分离反应步骤的异质性检测来说更是如此。MDM能够进行大多数生物测定所需的各种液滴操作,如液滴移动、液滴混合、磁性微珠提取和液滴分配。

体外诊断(IVD)可以在不需要侵入性医疗手段的情况下,通过分析易于获得的患者样本来促进临床决策,因而引起了人们的极大兴趣。通常,集中检测(centralized testing)需要收集大量样本并需要将样本运送到中心实验室进行分析;与此对应,即时检测(POCT)是在初级医疗保健机构、社区药房、医生办公室或其他患者附近的分散式医疗站点进行IVD检测,通过使用小型化检测仪器,POCT检测周转时间短,试剂成本和样品使用量少,从而有利于在资源有限的环境中进行诊断。

磁性数字微流控(Magnetic Digital Microfluidics,MDM)技术以液滴的形式操纵流体,是POCT的首选技术,特别是对于需要相对复杂的液体操纵程序和多个分离反应步骤的异质性检测来说更是如此。MDM能够进行大多数生物测定所需的各种液滴操作,如液滴移动、液滴混合、磁性微珠提取和液滴分配,这有助于开发用于POCT的全功能微流控平台。例如,利用基于MDM的自动化分子检测平台和聚合酶链式反应(PCR)技术检测丙型肝炎病毒和衣原体。此外,一些基于MDM的平台被证实可用于酶联免疫吸附试验(ELISA);然而,目前还没有一个平台同时集成微流体控制和检测系统,也没有一个平台可以作为用于POCT免疫诊断的独立设备运行。

据麦姆斯咨询报道,近期,中新国际联合研究院(China-Singapore International Joint Research Institute)等机构的研究人员提出了一种基于MDM的自动化POCT平台,该平台具有多种创新功能,非常适用于POCT免疫诊断。相关研究成果以“DropLab: an automated magnetic digital microfluidic platform for sample-to-answer point-of-care testing—development and application to quantitative immunodiagnostics”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

该MDM平台又被称为液滴实验室(DropLab),集成了一个磁液滴操作模块、一个基于成像的光学检测模块以及一个一次性DropLab芯片。其中,平台的操作模块通过同步移动安装在支架上的四个磁铁,以预设的移动顺序控制液滴的运动;光学检测模块则在透光条件下识别反应液滴并测量其强度;而DropLab芯片(如图2a所示)由4个并行单元(如图2b所示)组成,可用于对同一样品进行多次重复检测,也可在单个芯片上对不同样品进行检测。此外,该平台包含具有用户友好界面的交互式软件和一个可以轻松加载所有芯片的通用适配器,这可以减轻POCT情境下非专业人员对于医疗器械操作难度的担心。

液滴实验室(DropLab)平台概览

图1 液滴实验室(DropLab)平台概览

液滴实验室(DropLab)芯片示意图

图2 液滴实验室(DropLab)芯片示意图

酶联免疫吸附试验(ELISA)因其灵敏度高、定量能力强而被广泛应用于免疫诊断。为了增强液滴的混合,提高ELISA中的清洗质量,该研究设计了一种特殊的磁铁运动序列。所提出的混合策略通过在垂直方向往复移动以及在平面方向上按圆周移动磁铁来引发液滴中磁性微珠的运动。微珠运动的效果类似于搅拌颗粒,通过搅拌液体以实现高效混合。每个混合循环由1个垂直往复运动和1个圆周运动组成。为了评估所提出的混合策略的有效性,研究人员将一个黄色的(5 μL)液滴移动到一个纯水的(50 μL)液滴中,并比较了使用混合策略和未执行混合策略时合并液滴的一系列图像。如图3g所示,当执行混合策略(3个混合循环)时,液滴的均匀性在约54 s内达到了大于0.95的数值水平,而如果不使用所提出的混合策略(纯扩散混合),液滴需要大约700 s才能达到类似的均匀性水平。

使用液滴实验室(DropLab)平台操作液滴

图3 使用液滴实验室(DropLab)平台操作液滴

此外,为了验证DropLab用于定量POCT免疫诊断的有效性,该研究共测试了三个靶点,包括两种蛋白质抗原,即人C-反应蛋白(CRP)和人肌钙蛋白C(TnC);以及一种抗体,即抗新型冠状病毒(SARS-CoV-2)刺突(S)蛋白的人IgG抗体。结果表明,在DropLab平台上进行的ELISA的检测性能与在微孔板上进行的常规ELISA的检测性能相当。

在液滴实验室(DropLab)平台进行的ELISA

图4 在液滴实验室(DropLab)平台进行的ELISA

综上所述,该研究开发了一个基于磁性数字微流控(MDM)技术的自动化POCT平台——液滴实验室(DropLab)。该平台包括一个用于自动液滴操作的电动运动控制模块,一个用于结果采集的基于图像的光学检测模块,以及一个比传统微流控芯片更具成本效益的热成型一次性芯片。同时,该平台具有一个通用型适配器,能够适用于各种类型的DropLab芯片,从而扩大对不同分子诊断和表型检测的适用性。此外,研究结果表明,DropLab能够自动执行如ELISA等需要多个阶段液相和固相操作的复杂的异质性分析。由于DropLab完全自动化且易于操作,因此非常适合用于POCT免疫诊断,特别是在家庭诊所、床边和检查室等初级医疗保健环境中。与现有的POCT免疫诊断设备(如侧向层析测定(LFAs))相比,DropLab提供了更灵敏和可定量的检测结果,可以与传统的微孔板ELISA相媲美。未来,进一步的研究将集中在通过加入更灵敏的光电探测器和用基于化学发光的免疫诊断分析取代ELISA来进一步提高DropLab的检测限和动态范围。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41378-022-00475-y

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《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《微流控初创公司调研》

《分子诊断技术与市场趋势-2020版》

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