B組鏈球菌(Group B Streptococcus, GBS)是產后感染和新生兒感染中重要病原菌之一。特別是在妊娠過程中,可導致孕婦的早產、宮內感染等并發癥;在分娩期間也可能會導致新生兒敗血癥、腦膜炎或肺炎等一系列感染,是全球新生兒侵襲性感染的主要原因。每年導致9.1萬名新生兒死亡,4.6萬多名死產和4萬名感染后患有神經殘疾的新生兒。因此,快速準確地診斷孕婦GBS對預防新生兒感染至關重要。對于城市或者城鎮醫院,已經實現了基于規范化的實驗室的GBS普篩。但對于資源有限的偏遠鄉村地區的衛生院及婦幼保健院,由于缺乏訓練有素的技術人員,以及額外的、高成本的儀器,GBS的快速診斷存在諸多挑戰。
據麥姆斯咨詢報道,針對上述需求,北京航空航天大學常凌乾課題組在《Biosensors & Bioelectronics》(IF: 12.7)期刊上發表了題為“A portable, integrated microfluidics for rapid and sensitive diagnosis of streptococcus agalactiae in resource-limited environments”的研究文章,設計了一種便攜式集成微流控生物芯片,可以快速提取樣本拭子中的DNA,并進行快速擴增,最后通過試紙條可視化的讀取結果,整個流程控制在40分鐘以內。與傳統的NAAT(6小時)不同,該平臺是一種簡單、便攜、無電源的微流控平臺,僅通過簡單的手指擠壓操作,即可在1小時內完成DNA提取、富集、純化、擴增和檢測的整個過程,因此非常適合中心實驗室以外的各種場景。
作為革蘭氏陽性菌,GBS具有特有的細胞壁和莢膜結構,給傳統DNA提取方法帶來了額外的挑戰。針對此,研究人員設計了一步法DNA提取管,用PDMS隔片將提取管分成兩個獨立的區域,分別裝載樣本稀釋液和核酸裂解液。在操作中,被試者將取樣拭子放入稀釋液中釋放病原體,然后輕輕撥動PDMS隔片,使稀釋劑流向下方含有玻璃珠的裂解液。通過簡單地用手搖動提取管,并在提供的便攜式加熱裝置中加熱10分鐘,即可釋放DNA。
生物芯片平臺由三個功能區組成,包括DNA富集區、DNA擴增區和檢測區。通過使用設計的彈性軟管,擠壓軟管產生顯著的驅動力,將預包裝的相應緩沖液,包括裂解緩沖液(A-軟管)、洗滌緩沖液(B-軟管)、RPA緩沖液(C-軟管)、運行緩沖液(D-軟管)分別推入設備中的相應部位,產生不同的功能。在操作時擠壓A-軟管,驅動含有GBS DNA的液體流入富集區,DNA被預先填充的磁珠捕獲。并且,磁珠被生物芯片下面的磁鐵捕獲,使DNA固定在擴增區。其余的液體被收集在廢液池中;第二步,擠壓B-軟管,洗滌去除磁珠表面的雜質(包括各種蛋白質和離子);第三步,擠壓C-軟管,使RPA緩沖液進入擴增區,在38℃下進行快速擴增;最后,擠壓D-軟管,將擴增溶液驅動到試紙條上,以讀出結果。在試紙條上,在檢測線(T線)上修飾鏈霉親和素,在質控線(C線)上修飾二抗,可以捕獲RPA體系中特異性探針的生物素和FAM基團,與膠體金形成“三明治”結構,顯示紅色條帶,表示陽性反應。
圖1 用于GBS快速診斷的生物芯片的設計理念和運行過程的原理示意圖
考慮到這樣一個簡單、便攜、可重復使用的設備可以用于中心實驗室以外的場景,該課題組設計了一個可重復使用的便攜式加熱裝置作為平臺附件。該裝置由4根彈性軟管組成,軟管內裝有相應的緩沖液(裂解緩沖液、洗滌緩沖液、RPA緩沖液、運行緩沖液),依次完成核酸提取、富集/純化、擴增和讀出過程。核心加熱功能由電池供電,控制加熱板,單次反應持續加熱約40分鐘,分別用于DNA提取的95℃,和RPA反應的38℃。
研究團隊在中國甘肅省婦幼保健院(甘肅省中心醫院)進行了47例患者的陰道和肛門拭子樣本檢測。通過比較qPCR實驗室結果與PIM平臺的顯色反應,發現qPCR結果與新技術具有相同的靈敏度。最終,47例臨床樣本顯示,平臺靈敏度達到100%,與臨床PCR結果一致。
圖2 在臨床診斷中的應用
該研究通訊作者為北航生物醫學工程常凌乾教授、甘肅省中心醫院易彬教授、甘肅省腫瘤醫院蘇海翔教授。第一作者是北航博士生王之瑩,甘肅省中心醫院晏博博士、倪亞莉主任為共同第一作者。
審核編輯:劉清
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原文標題:便攜式集成微流控生物芯片用于B組鏈球菌快速診斷
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