四川大學華西醫院精準醫學轉化研究中心 胡文闖 、呼吸和共病研究院 李為民 、實驗醫學科 應斌武 和醫工結合創新轉化中心 黃進 組成的多學科交叉團隊於2024年4月在 Sensors and Actuators: B. Chemical 發表文章「Hermetic microfluidic device for point-of-care viral nucleic acid testing」（點選二維碼閱讀原文）。 針對基層臨床對重大傳染性疾病快速準確診斷的迫切需求，本研究開發了一種新的病毒核酸即時檢測裝置，在半小時內完成「樣本進，結果出」的核酸檢測全流程，無需專業場地、裝置和人員，靈敏度最高可達50拷貝/毫升，數據聯網，成本低至十元，適用於門診、基層醫療機構、公共場所及居家自測等多場景下的病原體快檢。
自21世紀以來，重大傳染病如非典型肺炎、禽流感、甲型流感、埃博拉病毒病、寨卡病毒病和新型冠狀病毒肺炎等引發的公共衛生突發事件頻繁，嚴重威脅人類生命健康。快速且靈敏的病原體檢測對於傳染病的早期診斷與治療、監測與控制至關重要，然而目前仍缺乏適用於資源有限條件下的快速、靈敏、易用且經濟實惠的即時檢測（Point of Care Testing，POCT）方法。
本研究團隊基於高精度微流控和分子診斷技術，開發了一種新的病毒核酸POCT裝置μDART（圖1）。該裝置整合了一次性試劑卡和可重復使用的恒溫分析儀（與高爾夫球大小相近），實作從樣本處理、核酸擴增、數據分析到結果報告的自動化流程。整個流程操作簡單，無需額外實驗場地和額外裝置，非專業人員也能操作。檢測結果既可直接判讀，亦可透過藍芽上傳至手機檢視，實作病原體和傳染病流行的遠端監控。一次性試劑卡成本低於10元，恒溫分析儀成本低於100元。
圖1 病毒核酸即時檢測裝置及檢測流程
本研究在既往研發成功的「氣壓自平衡」原理微流控芯片的基礎上升級，透過「負壓驅動-高分子材料止溢閥制軔」的微流控原理（圖2），進一步提升了微量液體的控制精度，從而提高了檢測的穩定性，並降低了試劑用量和成本。如圖2C所示，當試劑卡插入恒溫分析儀時，樣本裂解腔的鋁膜（閥1）被空心針刺穿，樣本裂解液在負壓驅動下流入3個反應腔，隨即溶解預裝於其中的試劑凍幹珠，自發啟動恒溫擴增反應。隨後，當擴增反應液在負壓驅動下流到止溢閥（閥2）時，其中的高分子聚合物微球快速膨脹以堵塞通道間隙，阻止液體溢位，從而達到制軔的效果。整個樣本裂解和恒溫擴增反應均在全密封試劑卡內完成，避免了由氣溶膠泄漏導致的核酸汙染。恒溫分析儀中整合了加熱模組、光學模組和數據傳輸模組，以實作恒溫和訊號采集（圖2E）。在恒溫反應過程中，恒溫分析儀將持續記錄反應腔的顏色變化，判斷是否達到陽性閾值，並在設定的反應時間（15-30分鐘）內顯示測試結果。此外，測試結果可透過藍芽發送到智慧型手機，實作數據的遠端監控。
圖2 「負壓驅動-止溢閥制軔」微流控原理及系統整合
本裝置在國家醫療器械註冊檢驗中對新型冠狀病毒的檢出線限低至53拷貝/毫升，是報道過的最佳靈敏度的等溫擴增技術之一，其與金標準即時熒光定量PCR（Realtime fluorescence quantitative PCR，qPCR）具有相當的檢測效果。為評估在真實的臨床套用場景下的檢測效果，本研究開展多中心臨床試驗，測試了537例的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）鼻拭子，結果發現與qPCR相比，該裝置達到97.7%的靈敏度和99.7%的特異性。為進一步驗證其廣泛的臨床套用價值，本研究采用該裝置檢測多種病毒樣本，包括74例人類乳頭瘤病毒16/18（HPV16/18）宮頸拭子和82例杯狀病毒（FCV）及皰疹病毒（FHV）口咽拭子，驗證了同一測試卡可同時檢測DNA和RNA類病毒，檢測的靈敏度和特異性分別為92.5%-97.7%和99.7%-100%（圖3），效能優異。
圖3 臨床套用場景（適用於呼吸道、生殖道、寵物等感染領域）
臨床研究表明該裝置效能優異，同時其具有成本低廉、易於使用等優點。此外，該裝置的檢測結果可透過智慧型手機上傳雲端，實作數據的遠端監控，適用於門診、基層醫療機構、公共場所以及居家自測等多種場景下的病原體快檢。
專家點評
王輝教授 ：多種病原體的快速診斷和分型對於重大傳染病的臨床診療和疫情防控都具有重要意義。然而，傳統的核酸擴增檢測通常需在專業的PCR實驗室進行樣本前處理、核酸擴增和訊號檢測等多個步驟，對實驗場地、裝置和人員的專業性要求較高。便捷快速的現場POCT檢測是分子診斷學的重要發展方向之一。該項工作構建的「負壓驅動-止溢閥制軔」微流控裝置透過巧妙的微流控芯片設計、恒溫反應試劑的系統整合，以及精密的微量液體控制，提升了檢測效能，降低了試劑用量和成本。在完全密封的微流控卡盒內自動完成核酸檢測全流程，避免了人工移液引起的誤差，且有效防止病原微生物泄露和擴增產物的氣溶膠汙染，最終實作了DNA和RNA病毒樣本在半小時內完成「樣本進，結果出」的快速檢測。期望團隊未來能開發適用於其它細菌、真菌類病原體的多重檢測試劑盒，進一步拓展套用範圍。總體來說，該分子POCT裝置適用於醫院門診、基層醫院，甚至居家自測等不同的套用場景，對於感染性疾病的臨床診療和疫情防控具有重要的套用價值。
王輝 ，教授，醫學博士，博士研究生導師，北京大學人民醫院檢驗科主任、北大醫學部檢驗學系主任，國家傑出青年科學基金獲得者、國家衛生健康突出貢獻中青年專家，中國醫藥創新促進會臨床微生物分會主任委員、中華醫學會檢驗分會常委兼臨床免疫學組長、中華醫學會微生物學和免疫學分會常委兼臨床微生物學組組長， Microbiology Spectrum 雜誌高級編委， Science Bulletin 、 Journal of Microbiology Immunology And Infection 等期刊編委，主持科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重大課題/專項計畫/面上課題等多個計畫，研究方向為感染性疾病診斷和細菌耐藥機制研究，曾獲國家科技進步獎、中華醫學科技進步獎、北京市科技進步獎和華夏醫學科技進步獎等。
作者心得
POCT技術的終極目標是任何人在任何地方（包括醫院、診所、社群和家庭等）都能夠快速檢測疾病。為實作該目標，我們成功開發了一系列快速、靈敏、易用且經濟實惠的POCT裝置，可用於診斷多種病毒感染。我們的前序文章「A portable all-in-one microfluidic device with real-time colorimetric LAMP for HPV16 and HPV18 DNA point-of-care testing, Biosens Bioelectron . 2024;248:115968」提及的第一代裝置是基於「氣壓自平衡」原理，已經實作了「樣本進-結果出」的自驅動、全封閉的微流控，從檢測效能和新穎性均表現出色。本文中第二代裝置采用了分體式，將一次性檢測試劑卡與擴增分析儀分開，大幅降低了檢測成本，並透過「負壓驅動-止溢閥制軔」進一步提高了微流控精度，使得檢測效能更加穩定可靠。效能可靠與成本可控往往是從科研到產品轉化過程中需要重要權衡的因素，該裝置找到了兩者的平衡點，故第二代裝置最終成為生產樣品和申請註冊證的產品方案。此外，嚴格的臨床試驗發現本裝置在檢測各類病毒（包括DNA和RNA）都具有良好的適用性且易於操作。本研究難點在於需兼顧穩定性、低成本、適用性和易用性，這不僅涉及多學科交叉創新，而且也需具有產品思維。目前團隊正在該裝置上進一步開發其它病原體的檢測計畫。該技術研發獲得國家科技部重點計畫支持，目前已完成成果轉化，核酸擴增儀器已取得國家醫療器械註冊證，病毒檢測試劑盒已獲得三項CE認證。
該論文不同於大多數論文，是在該裝置經過臨床驗證和產品報證後開始撰寫，並非單純從科研角度確定研發計劃，而是在做產品的過程中產生有價值的科研論文，充分考慮真實的臨床套用場景後進行的撰寫和投稿。本文是產品化後進行投稿，但其投稿並非一帆風順，前序第一篇文章歷經1年才被接收，故第二篇論文撰寫和投稿更加謹慎，進行了非常嚴謹細致的文章結構設計，突出了微流控等工程和材料技術的融合創新，並展示了該裝置的廣泛臨床套用潛力。本文的投稿選擇了生物傳感器和微流控領域知名跨學科期刊 Sensors and Actuators: B. Chemical ，第一次投稿即被接收，審稿人甚至對該裝置近乎完美感到驚訝，因為既往許多關於分子POCT的研究不得不艱難地在效能、成本和通用性之間做出權衡，隨即本研究用大量真實的生產實物圖片及臨床驗證數據使之信服。總之，μDART滿足了幾乎所有POCT的效能期望，使其接近人人會用、處處可用的目標。
通訊作者
胡文闖 ，教授，博士研究生導師，「教育部重要人才計劃」特聘教授，四川大學華西醫院精準醫學轉化研究中心主任，成都岷山計劃生物芯片研究院聯席院長，曾任美國德州大學達拉斯分校終身教授、復旦大學特聘講座教授。國家海外高層次人才，獲國家基金委海外合作基金，美國自然科學基金Career獎、IEEE奈米技術傑出講者、四川省頂尖創業團隊領頭人等。致力於醫工結合研究近20年，聚焦微電子與生物醫學的交叉領域，包括生物傳感器和生物芯片等方向。承擔科研計畫35項，共計1.8億元，在 Nat Commun 、 ACS Nano 、 Nano Lett 、 Biomaterials 等期刊及會議發表論文200余篇，擁有發明專利20余項。
共同通訊作者
李為民 ，教授，博士研究生導師，「教育部重要人才計劃」特聘教授，四川大學華西醫院呼吸和共病研究院院長。任中華醫學會副會長、中國醫師協會副會長和中華醫學會呼吸病學分會副主任委員。從事呼吸系統疾病的臨床及臨床研究，在 Cell 、 Nature Biomedical Engineering 等期刊發表研究論文200余篇。研究成果以第一完成人獲國家科技進步二等獎。
共同通訊作者
應斌武 ，教授，博士研究生導師，「教育部重要人才計劃」特聘教授，四川大學華西醫院實驗醫學科主任。任中華醫學會檢驗專委會第十屆委員會委員、四川省醫師協會第二屆檢驗醫師分會會長、 Chinese Chemical Letters 高級編委。獲國之名醫「青年新銳」、四川省衛生健康首席專家、四川省抗擊新冠肺炎疫情先進個人等。致力於呼吸道傳染病分子診斷研究，負責5項國家自然科學基金、2項科技部重大專項子課題，在 Cell Host Microbe 、 ACS Nano 、 Signal Transduct Target Ther、EBioMedicine 等學術期刊發表研究論文200余篇。獲專利授權8項，軟著1項，成果轉化380萬。
共同通訊作者
黃進 ，教授，博士研究生導師，四川大學華西醫院醫工結合創新轉化中心主任。四川省「天府青城計劃」科技創新領軍人才，四川省學術和技術帶頭人。現任中華醫學會醫學工程專委會副主任委員、中國醫學裝備協會副理事長、國家科技部十四五重大專項指南專家等。長期從事基於健康佇列的標準構建，以及數位診療的研發、套用與轉化等工作，作為負責人承擔國家重點研發計劃、國家自然科學基金等多項課題，以第一/通訊作者發表包括ESI高被引論文在內的研究論文百余篇。
第一作者
胡傑 ，中國科學院生物博士，新加坡國立大學生物資訊博士後，四川大學華西醫院精準醫學轉化研究中心副主任。長期致力於分子診斷、基因測序與精準醫療領域，主持並參與多款精準診斷產品的臨床開發、生產與報證，包括病原體、遺傳病和腫瘤基因檢測。作為課題骨幹參與8項研究計畫，包括國家科技部重點研發計畫3項。以第一作者在 Sensor Actuat B-Chem 、 J Biosci Bioen, Curr Microbiol , FEMS Microbiol Ecol 等期刊發表研究論文10余篇。以第一發明人申請並獲批1項基因靶點相關的PCT國際專利。
共同第一作者
白浩 ，臨床檢驗診斷學博士，四川大學華西醫院博士後。長期從事感染性疾病分子診斷領域的標誌物挖掘及分子診斷關鍵技術研究，包括生物傳感、微流控芯片、核酸等溫擴增和電子工程整合等方向，在感染性疾病POCT檢測新方法構建及其臨床套用方面積累了豐富的經驗。負責四川省科技廳計畫1項、四川大學華西醫院專職博士後研發基金1項，參與國家自然基金課題多項。以第一/共同第一作者在 Biosens Bioelectron 、 Medcomm 、 EBioMedicine 、 Sensor Actuat B-C
