足不出戶，用手機(jī)就能在家做病原體核酸檢測？
近日，中科院科學(xué)家研發(fā)出一款便攜式病原體核酸即時(shí)檢測系統(tǒng) MS2。有了該系統(tǒng)，再加上一部智能手機(jī)和相關(guān) App，即可分別在 65 分鐘和 30 分鐘內(nèi)，完成聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)檢測、以及重組酶聚合酶擴(kuò)增檢測。
日前，相關(guān)論文成為最新一期 Analyst 雜志的封面論文，題目為《MS2 設(shè)備：智能手機(jī)輔助的微流體設(shè)備上的移動(dòng)核酸分析》（MS2device: smartphone-facilitated mobile nucleic acid analysis on microfluidicdevice）。研究人員表示，具備相同檢測功能的商業(yè)儀器一般在 10000-20000 美元，而 MS2 設(shè)備的硬件成本在 1000 美元左右，價(jià)格只有前者的 10%-20%。
圖 | MS2 設(shè)備的構(gòu)造圖（來源：Analyst）
可至少供電 5 小時(shí)，捕獲圖像能直接存在手機(jī)中
近年來，基于微流控芯片和智能手機(jī)的移動(dòng)傳感技術(shù)（MS2，Mobilesensing），已被證明可應(yīng)用于分子診斷分析。然而，目前報(bào)道的基于 MS2 的核酸分析系統(tǒng)功能相對較少，因此在應(yīng)用上面臨著一定限制。為提供一個(gè)更加通用的平臺，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安光所生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出上述基于 MS2 的核酸分析設(shè)備，在構(gòu)造上它包含一個(gè)熱循環(huán)器、一個(gè)多熒光檢測單元、一個(gè)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)芯片、一個(gè)等溫芯片和一個(gè)智能手機(jī)。
如下圖，MS2 設(shè)備的體積約為 325mm × 200mm × 200mm，重量為 5kg。設(shè)備上面放有一款華為手機(jī)上，手機(jī)含有一個(gè)8m像素的相機(jī)模塊，可收集最大分辨率為 2560 × 1920 像素的圖片。
圖 | MS2 器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖（來源：Analyst）
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)芯片中包含 6 個(gè)腔室，每個(gè)腔室都能進(jìn)行獨(dú)立的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。而等溫的重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）芯片包含 12 個(gè)小腔室，使用薄膜對其密封后，就能確保反應(yīng)密封進(jìn)行。當(dāng)把擴(kuò)增試劑載入微流控芯片，并放置在 MS2 設(shè)備上時(shí)，智能手機(jī)即可控制整個(gè)下游擴(kuò)增和分析，包括溫度設(shè)置、光通道模式選擇、圖像采集和數(shù)據(jù)處理。
此外，該設(shè)備的平均功耗約為 38.4W，即便在充分考慮功率損失的情況下，也可供電至少 5 小時(shí)。MS2 設(shè)備上集成了四個(gè)光通道，分別是 FAM、HEX、TAMRA 和 ROX。此外，該設(shè)備還與多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和等溫?cái)U(kuò)增兼容，使用時(shí)用戶可通過相關(guān) App 去控制核酸擴(kuò)增和分析。
具體來說，App 控制著整個(gè)使用過程，將 App 的溫度接口連接到微控制器上的藍(lán)牙，并設(shè)置聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模式或等溫模式，此外還能顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。在一個(gè)名為 CAPTURE 界面中，用戶可以設(shè)置熒光圖像采集模式，包括重組酶聚合酶擴(kuò)增的手動(dòng)圖像采集模式、定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自動(dòng)圖像采集模式、以及多路聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自動(dòng)圖像采集模式。
另據(jù)悉，用戶還可定制手機(jī)相機(jī)的焦距、增益和曝光時(shí)間等參數(shù)，捕獲的圖像能以 JPEG 格式存儲手機(jī)里。
研究人員表示，據(jù)他們所知，MS2 設(shè)備是首次報(bào)道的兼容聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、以及等溫重組酶聚合酶擴(kuò)增擴(kuò)增的平臺。他們還在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)芯片上驗(yàn)證了 MS2 器件的有效性，并利用相關(guān)模型驗(yàn)證了多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的功能，結(jié)果顯示其靈敏度達(dá)每 μL1 個(gè)拷貝，擴(kuò)增效率達(dá) 106.8%。
實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用金黃色葡萄球菌，來進(jìn)一步驗(yàn)證在 MS2 設(shè)備上基于重組酶聚合酶擴(kuò)增的等溫檢測。
檢測時(shí)，要事先制備出含有金黃色葡萄球菌的反應(yīng)混合物，然后將金黃色葡萄球菌的引物和探針預(yù)裝到等溫芯片中；接著使用智能手機(jī)捕獲等溫芯片的初始熒光圖像；隨后將重組酶聚合酶擴(kuò)增反應(yīng)條件設(shè)置為 40°C，擴(kuò)增時(shí)間為 30 分鐘；最后，把智能手機(jī)上的光學(xué)檢測通道設(shè)置為 FAM，并記錄 8 個(gè)反應(yīng)室的相對熒光強(qiáng)度值。
如果在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，嵌入特異性引物和探針的一個(gè)反應(yīng)室的熒光顯著增強(qiáng)，說明擴(kuò)增結(jié)果為陽性。為了進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，他們在等溫芯片上進(jìn)行了等溫實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn) MS2 設(shè)備具備分子診斷應(yīng)用的潛力。
談及芯片在研究中起到的作用，清華大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究所助理教授吳嘉敏告訴 DeepTech，對于便捷端的手機(jī)處理來說，它存在的一個(gè)難點(diǎn)是如何讓環(huán)境變得可控，即如何讓它和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境保持一致。
對于相關(guān)測試設(shè)備來說，如果它處于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，那么會(huì)相對穩(wěn)定和可控。但是對于便攜式設(shè)備來說，每個(gè)用戶的使用環(huán)境都不相同，因此需要使用微流控芯片，來讓環(huán)境變得相對穩(wěn)定，從而得出更可靠的結(jié)論。此外，設(shè)備成本也可得到顯著下降。
是否適配不同手機(jī)，是待優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)之一
吳嘉敏表示，Lab on a Chip（集成在一個(gè)芯片上的實(shí)驗(yàn)室），自 20 世紀(jì)初就開始被更多人接受，甚至有一個(gè)專門的期刊就叫 Lab on a Chip，該期刊專門報(bào)道機(jī)械芯片、小型化控制芯片等成果。
最近幾年，隨著智能手機(jī)的發(fā)展以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，單個(gè)手機(jī)上 CPU 運(yùn)行的性能，跟五年前的電腦 CPU 的性能不相上下。
而隨著摩爾定律的發(fā)展，CPU 的處理能力會(huì)有顯著提升。另外，手機(jī)鏡頭也開始具備傳感能力，因此可感知到三維定位，這時(shí)的手機(jī)鏡頭本身就是很好的感知器件。當(dāng)前一些手機(jī)的成像芯片，甚至可以做到一億級像素，此外鏡頭模組的設(shè)計(jì)也正在持續(xù)優(yōu)化。
他舉例稱，像華為手機(jī)的潛望式模組，已經(jīng)能把手機(jī)鏡頭的成像性能，提升很多。因此手機(jī)等硬件平臺，越來越能支持病原體核酸檢測設(shè)備的發(fā)展，并已成為一種大勢所趨，甚至很多醫(yī)療分析也開始變?yōu)樵粕厢t(yī)療。而現(xiàn)在的難點(diǎn)在于，初始判別數(shù)據(jù)的采集比如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的檢測，還是要用戶親自到醫(yī)院做檢測。而一旦有了這款可移動(dòng)便攜設(shè)備，那就無需再去醫(yī)院，因此會(huì)給老百姓的生活帶來很大方便。
吳嘉敏告訴 DeepTech，以這種方式進(jìn)行病原體核酸檢測，對于硬件的魯棒性和自動(dòng)化程度要求非常高。因?yàn)橛脩羰褂迷撛O(shè)備時(shí)，使用環(huán)境各不相同，所以該團(tuán)隊(duì)做了很多溫度控制和微流控。
其中，微流控能讓成像區(qū)域可被有效限制在特定位置，相當(dāng)于把成像過程變得可控化。而平時(shí)在醫(yī)院做切片時(shí)，需要人工加入相關(guān)試劑。而現(xiàn)在使用微流控芯片，即可一體化地控制試劑用量，從而帶來更高的自動(dòng)化程度。但目前，該設(shè)備只是在特定型號的手機(jī)做測試，而使用在不同型號的手機(jī)上，可能結(jié)果精度不一樣，每款手機(jī)的線性度（音）不太可控，舉例來說，用華為手機(jī)和蘋果手機(jī)拍攝同一個(gè)物體，出來的照片并非完全一樣。
因?yàn)樵诤芏嗍謾C(jī)的圖像處理軟件中，手機(jī)廠商會(huì)使用 AI 技術(shù)來對圖片做渲染，盡管這樣視覺效果更好，但反而會(huì)影響測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，也即會(huì)干擾輸出結(jié)果的穩(wěn)定性，這也是未來該團(tuán)隊(duì)待優(yōu)化的方面之一。而研究人員則認(rèn)為，MS2 設(shè)備顯示出與傳統(tǒng)商用設(shè)備一致的性能。因此，它可給分子診斷相關(guān)研究和潛在醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用，提供一個(gè)簡單和集成的實(shí)驗(yàn)平臺。
其還表示，在醫(yī)療診斷、健康管理和生物安全等應(yīng)用中，MS2 設(shè)備具有很大的發(fā)展前景。在接下來的研究中，他們將進(jìn)一步加入核酸提取模塊，讓設(shè)備得到優(yōu)化和完善，從而讓分析能力更加有保障。
