用于診斷慢性消耗性疾病的MEMS微流控生物傳感器設計

長期以來，鹿科動物受到一種神經系統疾病的侵襲，這種疾病對個體來說致死率高達100%，并且具有群體效應。這種疾病被稱為慢性消耗性疾?。–WD），是由錯誤折疊的朊病毒蛋白引起的。該疾病可以通過接觸感染者的體液和組織或暴露于受污染的飲用水或食物等環境而傳播。目前，慢性消耗性疾病的診斷依賴于酶聯免疫吸附測定（ELISA）對鹿淋巴結的篩查和隨后的免疫組化（IHC）對ELISA陽性結果的確認。事實證明，這種疾病很難控制，部分原因是目前的檢測方案存在敏感性和特異性問題。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自美國密蘇里-哥倫比亞大學（University of Missouri–Columbia）的研究人員開發了一種準確、快速和低成本的MEMS微流控生物傳感裝置，用于檢測咽后淋巴結（RLNs）中慢性消耗性疾病的病理性朊病毒。相關研究成果以“A microfluidic biosensor for the diagnosis of chronic wasting disease”為題，發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

圖1 用于慢性消耗性疾病診斷的MEMS微流控生物傳感器

圖2 MEMS微流控生物傳感器的操作流程

該MEMS微流控生物傳感器的設計包括三種新穎的區域/功能，如圖1a所示。

首先，為了有效地聚集朊病毒蛋白，該研究開發了一個專用區域。該區域的特點是兩組聚集電極以平行方式連接在單個水平的微流控通道中。每個電極組由電鍍金制成的厚斜坡狀電極，以及斜坡狀通道內由鉻（Cr）/金（Au）薄膜制成的45°傾斜的指狀電極對組成。這種獨特的構造產生了正介電泳（p-DEP）力，從而有效地將朊病毒抗原聚集在通道中心，并被引導流向檢測微通道。此外，超過原樣品培養基體積90%但不含朊病毒蛋白的大量流體向外通道流動，并被引導到廢液排出口。

該微流控生物傳感器設計的獨特之處在于，利用斜坡狀電鍍垂直側壁和傾斜的薄膜指狀電極，產生了強大的電場強度和梯度。這種梯度有效地將朊病毒抗原推向了電場強度和梯度最高的通道中心線，無論其在通道的橫向或者縱向上的位置如何。與缺乏聚集機制的阻抗型生物傳感器相比，通過引入該聚集區域，該生物傳感器顯著提高了對慢性消耗性疾病朊病毒蛋白的檢測靈敏度。

此外，該研究通過使用COMSOL進行大量仿真，確定了最大化通道中心電場強度和梯度的最佳幾何形狀（圖3a）?？偠灾?，該優化設計通過有效地將朊病毒蛋白聚集在通道中心并將其導向檢測區域，從而提高了檢測靈敏度。

圖3 電場建模與仿真

其次，為了進一步提高慢性消耗性疾病朊病毒蛋白/抗原的濃度，在該MEMS微流控生物傳感器中引入了專門的捕獲區。該區域由環繞檢測電極區域的垂直電極對以及由電鍍金制成的垂直指狀電極組成。捕獲電極利用正介電泳力產生的高電場強度和梯度，足以有效地阻滯和捕獲檢測電極上表面的朊病毒抗原。這種捕獲電極設計確保了朊病毒抗原被捕獲，無論其在通道的橫向或縱向上的位置如何。

在抗原-抗體結合過程中，捕獲電極被激活10分鐘，為慢性消耗性疾病朊病毒抗原和固定化抗體之間的相互作用提供了充足的時間。與缺乏這種機制的基于阻抗的生物傳感器相比，通過引入這種專用捕獲區域，生物傳感器的靈敏度大大提高了。這種靈敏度的提高使得其在低濃度下能夠可靠地檢測慢性消耗性疾病朊病毒蛋白/抗原。此外，該研究利用COMSOL仿真進一步優化了捕獲電極的幾何形狀。

最后，為了最大限度地提高檢測靈敏度，研究人員在專用的朊病毒檢測區域使用了兩組叉指電極（IDE）陣列。其中一組電極陣列是專門為檢測目的而設計的，而另一組電極陣列作為陰性對照。該檢測區域位于寬度為50 μm的微流控通道內，比聚集區域窄得多。此外，為了獲得最佳靈敏度，研究人員使用COMSOL對檢測電極的幾何形狀進行了全面建模和仿真（圖3b）。

為進一步評價該MEMS微流控生物傳感器的特異性和選擇性，研究人員分別對非朊病毒抗原（藍舌病病毒（BTV）和流行性出血熱病毒（EHDV））進行抗朊病毒單抗檢測，并對朊病毒抗原進行抗牛冠狀病毒（BCV）抗體檢測。已知的咽后淋巴結陰性樣本和無抗原對照也包括在內。此外，對蛋白酶K酶解后的咽后淋巴結樣品進行檢測，以確認是否檢測到致病性朊病毒。

結果顯示，該MEMS微流控生物傳感器可以在1:24的稀釋度下有效檢測到工程朊病毒抗原，而ELISA在1:8的稀釋度下能夠檢測到相同的抗原。該生物傳感器對強咽后淋巴結陽性樣品的相對檢測限（rLOD）為1:1000稀釋，而ELISA的相對檢測限為1:100。因此，該生物傳感器的靈敏度是目前已批準的慢性消耗性疾病診斷方法ELISA的10倍。

總而言之，該研究利用已知的咽后淋巴結陰性樣本、一種陰性對照抗體（牛冠狀病毒單克隆抗體）和兩種陰性對照抗原（藍舌病病毒和流行性出血熱病毒）證實了該微流控生物傳感器的特異性和選擇性，并且通過檢測蛋白酶消化陽性咽后淋巴結樣品，驗證了該MEMS微流控生物傳感器檢測致病性朊病毒的能力。

圖4 該MEMS微流控生物傳感器的特異性、選擇性和陰性對照研究

圖5 對該MEMS微流控生物傳感器檢測致病性朊病毒的能力進行驗證

審核編輯：劉清