微流控电化学芯片实验室平台,可同时检测新冠病毒RNA和抗体

原创 MEMS 2022-08-17 00:00

快速、准确和频繁地检测新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的RNA和该病毒宿主的血清抗体,将有助于确定以前曾感染过该病毒或接种过疫苗的新型冠状肺炎(COVID-19)患者的免疫状态。

据麦姆斯咨询报道,近期,哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员利用3D打印技术开发了一种微流控芯片实验室(lab-on-a-chip,LOC)平台,该平台通过多路电化学输出,可在2小时内同时检测唾液中的SARS-CoV-2 RNA以及唾液和血浆中的抗SARS-CoV-2免疫球蛋白,有助于广泛监测COVID-19感染和免疫状况。相关研究成果以“A lab-on-a-chip for the concurrent electrochemical detection of SARS-CoV-2 RNA and anti-SARS-CoV-2 antibodies in saliva and plasma”为题发表于Nature Biomedical Engineering期刊。

微流控电化学芯片实验室平台的设计

在考虑芯片实验室(LOC)诊断器件的设计时,研究人员重点关注准确性、易用性以及与数字医疗平台集成的能力。为了实现这一目标,研究人员制造了一种微流控芯片,能够利用未经处理的唾液,以检测同一电化学(EC)传感器芯片上的病毒RNA和宿主抗体(图1)。

图1 多路电化学传感器系统概览

基于CRISPR的综合分子诊断分析

在这项研究中,研究人员还设计了一种定制的核酸检测分子分析方法,将等温核酸扩增与基于CRISPR的酶检测相结合,以唾液中的SARS-CoV-2病毒RNA为靶向。这可以通过开发和优化生物素化ssDNA复制蛋白(RP)的RNA依赖性Cas12a切割来实现,该RP与基于芯片的多链霉亲和素-辣根过氧化物酶(HRP)/3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)反应化学相互作用,比基于荧光的CRISPR-Cas12a分析方法更加灵敏,但得出结果的时间相似。

图2 使用临床样本的CRISPR电化学检测和检测性能示意图

多重血清学电化学检测

此外,研究结果显示,与传统的ELISA相比,用于血清学检测的EC传感器,获得了100%(100%灵敏度和100%特异性)的IgG检测准确度。并且,研究人员表征了一种多重EC传感器,可检测针对各种抗体同种型(IgG、IgM和IgA)的相关病毒结构蛋白(S1-RBD、S1和N)的抗体,并能够更深入地了解患者的体液反应。重要的是,研究人员还发现同时多重检测不同的病毒抗原可以提高诊断灵敏度。

图3 多重血清学检测示意图

最后,研究人员设计并测试了一个与多路EC传感器集成的微流控芯片实验室平台,用于同时检测临床唾液样本中的RNA和IgG。该微流控芯片通过自动化原始唾液样品制备、RNA扩增和基于CRISPR的RNA检测步骤,消除了对RNA提取试剂盒的需求。凭借其紧凑和密封的设计,该芯片实验室平台减少了使用步骤,以避免引入可能的污染源或人为错误,以允许未经培训的用户轻松地使用检测器件,进一步增加其作为即时检测系统的潜力。

图4 该微流控电化学芯片实验室平台可用于多重传感,同时检测SARS-CoV-2病毒RNA和宿主抗病毒抗体。

总体而言,虽然研究人员开发的芯片实验室平台很有前景,但在这项技术可以较便利地用于临床即时检测之前,还需要解决一些瓶颈问题。首先,该系统使用蠕动泵来进行流体驱动,并使用恒电位仪来读取EC传感器芯片。电子电路、蠕动泵和恒电位仪读出的进一步集成将构建一款强大的可重复使用系统,使这种多重诊断工具可用于医疗保健和临床即时检测。类似地,3D打印的微流控芯片可以通过改用注塑成型技术来实现大规模生产制造,其中LAMP和CRISPR检测试剂预先测量、冻干并密封在盒内,以简化分析使用。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41551-022-00919-w



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