四川大学华西医院精准医学转化研究中心 胡文闯 、呼吸和共病研究院 李为民 、实验医学科 应斌武 和医工结合创新转化中心 黄进 组成的多学科交叉团队于2024年4月在 Sensors and Actuators: B. Chemical 发表文章「Hermetic microfluidic device for point-of-care viral nucleic acid testing」（点击二维码阅读原文）。 针对基层临床对重大传染性疾病快速准确诊断的迫切需求，本研究开发了一种新的病毒核酸即时检测装置，在半小时内完成「样本进，结果出」的核酸检测全流程，无需专业场地、设备和人员，灵敏度最高可达50拷贝/毫升，数据联网，成本低至十元，适用于门诊、基层医疗机构、公共场所及居家自测等多场景下的病原体快检。
自21世纪以来，重大传染病如非典型肺炎、禽流感、甲型流感、埃博拉病毒病、寨卡病毒病和新型冠状病毒肺炎等引发的公共卫生突发事件频繁，严重威胁人类生命健康。快速且灵敏的病原体检测对于传染病的早期诊断与治疗、监测与控制至关重要，然而目前仍缺乏适用于资源有限条件下的快速、灵敏、易用且经济实惠的即时检测（Point of Care Testing，POCT）方法。
本研究团队基于高精度微流控和分子诊断技术，开发了一种新的病毒核酸POCT装置μDART（图1）。该装置整合了一次性试剂卡和可重复使用的恒温分析仪（与高尔夫球大小相近），实现从样本处理、核酸扩增、数据分析到结果报告的自动化流程。整个流程操作简单，无需额外实验场地和额外设备，非专业人员也能操作。检测结果既可直接判读，亦可通过蓝牙上传至手机查看，实现病原体和传染病流行的远程监控。一次性试剂卡成本低于10元，恒温分析仪成本低于100元。
图1 病毒核酸即时检测装置及检测流程
本研究在既往研发成功的「气压自平衡」原理微流控芯片的基础上升级，通过「负压驱动-高分子材料止溢阀制动」的微流控原理（图2），进一步提升了微量液体的控制精度，从而提高了检测的稳定性，并降低了试剂用量和成本。如图2C所示，当试剂卡插入恒温分析仪时，样本裂解腔的铝膜（阀1）被空心针刺穿，样本裂解液在负压驱动下流入3个反应腔，随即溶解预装于其中的试剂冻干珠，自发启动恒温扩增反应。随后，当扩增反应液在负压驱动下流到止溢阀（阀2）时，其中的高分子聚合物微球快速膨胀以堵塞通道间隙，阻止液体溢出，从而达到制动的效果。整个样本裂解和恒温扩增反应均在全密封试剂卡内完成，避免了由气溶胶泄漏导致的核酸污染。恒温分析仪中集成了加热模块、光学模块和数据传输模块，以实现恒温和信号采集（图2E）。在恒温反应过程中，恒温分析仪将持续记录反应腔的颜色变化，判断是否达到阳性阈值，并在设定的反应时间（15-30分钟）内显示测试结果。此外，测试结果可通过蓝牙发送到智能手机，实现数据的远程监控。
图2 「负压驱动-止溢阀制动」微流控原理及系统集成
本装置在国家医疗器械注册检验中对新型冠状病毒的检出线限低至53拷贝/毫升，是报道过的最佳灵敏度的等温扩增技术之一，其与金标准实时荧光定量PCR（Realtime fluorescence quantitative PCR，qPCR）具有相当的检测效果。为评估在真实的临床应用场景下的检测效果，本研究开展多中心临床试验，测试了537例的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）鼻拭子，结果发现与qPCR相比，该装置达到97.7%的灵敏度和99.7%的特异性。为进一步验证其广泛的临床应用价值，本研究采用该装置检测多种病毒样本，包括74例人类乳头瘤病毒16/18（HPV16/18）宫颈拭子和82例杯状病毒（FCV）及疱疹病毒（FHV）口咽拭子，验证了同一测试卡可同时检测DNA和RNA类病毒，检测的灵敏度和特异性分别为92.5%-97.7%和99.7%-100%（图3），性能优异。
图3 临床应用场景（适用于呼吸道、生殖道、宠物等感染领域）
临床研究表明该装置性能优异，同时其具有成本低廉、易于使用等优点。此外，该装置的检测结果可通过智能手机上传云端，实现数据的远程监控，适用于门诊、基层医疗机构、公共场所以及居家自测等多种场景下的病原体快检。
专家点评
王辉教授 ：多种病原体的快速诊断和分型对于重大传染病的临床诊疗和疫情防控都具有重要意义。然而，传统的核酸扩增检测通常需在专业的PCR实验室进行样本前处理、核酸扩增和信号检测等多个步骤，对实验场地、设备和人员的专业性要求较高。便捷快速的现场POCT检测是分子诊断学的重要发展方向之一。该项工作构建的「负压驱动-止溢阀制动」微流控装置通过巧妙的微流控芯片设计、恒温反应试剂的系统集成，以及精密的微量液体控制，提升了检测性能，降低了试剂用量和成本。在完全密封的微流控卡盒内自动完成核酸检测全流程，避免了人工移液引起的误差，且有效防止病原微生物泄露和扩增产物的气溶胶污染，最终实现了DNA和RNA病毒样本在半小时内完成「样本进，结果出」的快速检测。期望团队未来能开发适用于其它细菌、真菌类病原体的多重检测试剂盒，进一步拓展应用范围。总体来说，该分子POCT装置适用于医院门诊、基层医院，甚至居家自测等不同的应用场景，对于感染性疾病的临床诊疗和疫情防控具有重要的应用价值。
王辉 ，教授，医学博士，博士研究生导师，北京大学人民医院检验科主任、北大医学部检验学系主任，国家杰出青年科学基金获得者、国家卫生健康突出贡献中青年专家，中国医药创新促进会临床微生物分会主任委员、中华医学会检验分会常委兼临床免疫学组长、中华医学会微生物学和免疫学分会常委兼临床微生物学组组长， Microbiology Spectrum 杂志高级编委， Science Bulletin 、 Journal of Microbiology Immunology And Infection 等期刊编委，主持科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大课题/专项项目/面上课题等多个项目，研究方向为感染性疾病诊断和细菌耐药机制研究，曾获国家科技进步奖、中华医学科技进步奖、北京市科技进步奖和华夏医学科技进步奖等。
作者心得
POCT技术的终极目标是任何人在任何地方（包括医院、诊所、社区和家庭等）都能够快速检测疾病。为实现该目标，我们成功开发了一系列快速、灵敏、易用且经济实惠的POCT装置，可用于诊断多种病毒感染。我们的前序文章「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」提及的第一代装置是基于「气压自平衡」原理，已经实现了「样本进-结果出」的自驱动、全封闭的微流控，从检测性能和新颖性均表现出色。本文中第二代装置采用了分体式，将一次性检测试剂卡与扩增分析仪分开，大幅降低了检测成本，并通过「负压驱动-止溢阀制动」进一步提高了微流控精度，使得检测性能更加稳定可靠。性能可靠与成本可控往往是从科研到产品转化过程中需要重要权衡的因素，该装置找到了两者的平衡点，故第二代装置最终成为生产样品和申请注册证的产品方案。此外，严格的临床试验发现本装置在检测各类病毒（包括DNA和RNA）都具有良好的适用性且易于操作。本研究难点在于需兼顾稳定性、低成本、适用性和易用性，这不仅涉及多学科交叉创新，而且也需具有产品思维。目前团队正在该装置上进一步开发其它病原体的检测项目。该技术研发获得国家科技部重点项目支持，目前已完成成果转化，核酸扩增仪器已取得国家医疗器械注册证，病毒检测试剂盒已获得三项CE认证。
该论文不同于大多数论文，是在该装置经过临床验证和产品报证后开始撰写，并非单纯从科研角度确定研发计划，而是在做产品的过程中产生有价值的科研论文，充分考虑真实的临床应用场景后进行的撰写和投稿。本文是产品化后进行投稿，但其投稿并非一帆风顺，前序第一篇文章历经1年才被接收，故第二篇论文撰写和投稿更加谨慎，进行了非常严谨细致的文章结构设计，突出了微流控等工程和材料技术的融合创新，并展示了该装置的广泛临床应用潜力。本文的投稿选择了生物传感器和微流控领域知名跨学科期刊 Sensors and Actuators: B. Chemical ，第一次投稿即被接收，审稿人甚至对该装置近乎完美感到惊讶，因为既往许多关于分子POCT的研究不得不艰难地在性能、成本和通用性之间做出权衡，随即本研究用大量真实的生产实物图片及临床验证数据使之信服。总之，μDART满足了几乎所有POCT的性能期望，使其接近人人会用、处处可用的目标。
通信作者
胡文闯 ，教授，博士研究生导师，「教育部重要人才计划」特聘教授，四川大学华西医院精准医学转化研究中心主任，成都岷山计划生物芯片研究院联席院长，曾任美国德州大学达拉斯分校终身教授、复旦大学特聘讲座教授。国家海外高层次人才，获国家基金委海外合作基金，美国自然科学基金Career奖、IEEE纳米技术杰出讲者、四川省顶尖创业团队领头人等。致力于医工结合研究近20年，聚焦微电子与生物医学的交叉领域，包括生物传感器和生物芯片等方向。承担科研项目35项，共计1.8亿元，在 Nat Commun 、 ACS Nano 、 Nano Lett 、 Biomaterials 等期刊及会议发表论文200余篇，拥有发明专利20余项。
共同通信作者
李为民 ，教授，博士研究生导师，「教育部重要人才计划」特聘教授，四川大学华西医院呼吸和共病研究院院长。任中华医学会副会长、中国医师协会副会长和中华医学会呼吸病学分会副主任委员。从事呼吸系统疾病的临床及临床研究，在 Cell 、 Nature Biomedical Engineering 等期刊发表研究论文200余篇。研究成果以第一完成人获国家科技进步二等奖。
共同通信作者
应斌武 ，教授，博士研究生导师，「教育部重要人才计划」特聘教授，四川大学华西医院实验医学科主任。任中华医学会检验专委会第十届委员会委员、四川省医师协会第二届检验医师分会会长、 Chinese Chemical Letters 高级编委。获国之名医「青年新锐」、四川省卫生健康首席专家、四川省抗击新冠肺炎疫情先进个人等。致力于呼吸道传染病分子诊断研究，负责5项国家自然科学基金、2项科技部重大专项子课题，在 Cell Host Microbe 、 ACS Nano 、 Signal Transduct Target Ther、EBioMedicine 等学术期刊发表研究论文200余篇。获专利授权8项，软著1项，成果转化380万。
共同通信作者
黄进 ，教授，博士研究生导师，四川大学华西医院医工结合创新转化中心主任。四川省「天府青城计划」科技创新领军人才，四川省学术和技术带头人。现任中华医学会医学工程专委会副主任委员、中国医学装备协会副理事长、国家科技部十四五重大专项指南专家等。长期从事基于健康队列的标准构建，以及数字诊疗的研发、应用与转化等工作，作为负责人承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等多项课题，以第一/通讯作者发表包括ESI高被引论文在内的研究论文百余篇。
第一作者
胡杰 ，中国科学院生物博士，新加坡国立大学生物信息博士后，四川大学华西医院精准医学转化研究中心副主任。长期致力于分子诊断、基因测序与精准医疗领域，主持并参与多款精准诊断产品的临床开发、生产与报证，包括病原体、遗传病和肿瘤基因检测。作为课题骨干参与8项研究项目，包括国家科技部重点研发项目3项。以第一作者在 Sensor Actuat B-Chem 、 J Biosci Bioen, Curr Microbiol , FEMS Microbiol Ecol 等期刊发表研究论文10余篇。以第一发明人申请并获批1项基因靶点相关的PCT国际专利。
共同第一作者
白浩 ，临床检验诊断学博士，四川大学华西医院博士后。长期从事感染性疾病分子诊断领域的标志物挖掘及分子诊断关键技术研究，包括生物传感、微流控芯片、核酸等温扩增和电子工程集成等方向，在感染性疾病POCT检测新方法构建及其临床应用方面积累了丰富的经验。负责四川省科技厅项目1项、四川大学华西医院专职博士后研发基金1项，参与国家自然基金课题多项。以第一/共同第一作者在 Biosens Bioelectron 、 Medcomm 、 EBioMedicine 、 Sensor Actuat B-C
