ACS Nano:利用可攜式設備定量檢測微量血液中十幾種生物標誌物

2021-01-10 生物谷


這種微流體設備已被用於檢測伊波拉病毒。它不需要體積龐大的儀器，因而非常適合用於偏遠地區。圖品來自Alban Kakulya。

2016年2月29日/生物谷BIOON/--當衛生設施有限的偏遠地區發生流行病時，那裡的人們需要能夠在醫院外的地方使用的可攜式診斷設備。為了解決對這些設備不斷增加的需求，來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員開發出一種低成本的可攜式微流體診斷設備。它已成功地在伊波拉病毒（Ebola）傳染病上進行免疫測試，也能夠用於檢測許多其他疾病。相關研究近期發表在ACS Nano期刊上，論文標題為「A Digital–Analog Microfluidic Platform for Patient-Centric Multiplexed Biomarker Diagnostics of Ultralow Volume Samples」。

在過去的幾年，微流體設備已在診斷領域顯示出非凡的潛力。它們是由矽橡膠製成的，含有頭髮絲寬度的微小通道。微流體設備能夠快速地檢測極少量血液中的許多種不同的生物標誌物。

在EPFL，由Sebastian Maerkl領導的生物網絡特徵實驗室（Laboratory of Biological Network Characterization, LBNC）已開發出一種新型的微流體平臺。它是一種完全自我維持的依靠電池能源運行的可攜式設備。它無縫地與廉價的顯微鏡一起運作，從而提供非常高水平的檢測準確性。這種平臺能夠在微量血液（小於0.005微升）中定量檢測高達16種不同的生物標誌物分子。這些生物標誌物通常是酶、蛋白、激素或代謝物，它們在血液中的濃度可提供關於病人健康狀況的準確信息。

一種微流體平臺給出兩種檢測讀出值


這種微流體設備是獨特的原因在於它是由模擬信號檢測裝置和數位訊號檢測裝置這兩種裝置組成的，而迄今為止，常規的設備只整合其中的一種裝置。圖品來自Alban Kakulya。

這種設備是獨特的原因在於它是由模擬信號檢測裝置和數位訊號檢測裝置這兩種裝置組成的，而迄今為止，常規的設備只整合其中的一種裝置。數位訊號檢測是高度靈敏的，能夠檢測單個生物標記物的存在。但是，當生物標誌物的濃度太高時，由於信號飽和的原因，它表現欠佳。另一方面，模擬信號檢測在較高的生物標記物濃度時表現得最好。同時使用這兩種檢測裝置，就能夠在短時間內徹底地分析一滴血中的成分。這種分析提供珍貴的醫療信息：它可能有助醫生作出早期診斷或者確定疾病所處的階段。

初始的測試已成功地在含有抗伊波拉病毒抗體的樣品中執行，其中抗伊波拉病毒抗體指示著在出現症狀的和未出現症狀的病人體內存在這種病毒。這種設備可能能夠潛在地檢測大量的其他蛋白生物標誌物和分子。


血液樣品可被直接裝載到這種微流體設備中，而且在無需樣品預處理的情況下進行晶片上的生物標誌物定量檢測。圖品來自Alban Kakulya。無需血液樣品對預處理

還有更多的好消息。EPFL研究人員發現他們能夠直接將血液樣品裝載到這種微流體設備中，而且在無需樣品預處理的情況下進行晶片上的生物標誌物定量檢測。論文第一作者Francesco Piraino說，「對研究人員來說，能夠避免分離血液是非常令人感興趣的。」血液中的血漿分離需要離心機、大量的樣品和較長的處理時間。

在資源有限的區域進行診斷

Piraino說，「這種平臺將引領人們開發新的測試類型以便滿足不斷增加的對診斷測試的需求。對在資源有限的地區工作的醫務人員而言，它將是非常有用的。」比如，這種設備可能被用於監控地方病、流行病和大流行性疾病爆發。（生物谷 Bioon.com）

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doi:10.1021/acsnano.5b07939

A Digital–Analog Microfluidic Platform for Patient-Centric Multiplexed Biomarker Diagnostics of Ultralow Volume Samples

Francesco Piraino, Francesca Volpetti, Craig Watson, and Sebastian J. Maerkl

Microfluidic diagnostic devices have the potential to transform the practice of medicine. We engineered a multiplexed digital–analog microfluidic platform for the rapid and highly sensitive detection of 3–4 biomarkers in quadruplicate in 16 independent and isolated microfluidic unit cells requiring only a single 5 μL sample. We comprehensively characterized the platform by performing single enzyme and digital immunoassays, achieving single molecule detection and measured as low as ∼10 fM (330 fg/mL) GFP in buffer and ∼12 fM GFP in human serum. We applied our integrated digital detection mechanism to multiplexed detection of 1pM anti-Ebola IgG in human serum and were able to differentiate three common Ebola strains. To ascertain that the device can be applied in environments beyond clinical point-of-care settings, we developed a low-cost, portable hardware system to control and read out the microfluidic device and detected anti-Ebola IgG in ultralow volume whole blood samples to levels of 100 pM in a multiplexed assay format.

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