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MEMS技术投入COVID-19战疫

时间:2020-07-30 作者:Alissa M. Fitzgerald 、Farzad Khademolhosseini,Fitz 阅读:
为了打赢这场新型冠状病毒肺炎(Covid-19)“疫”战,必须与时间赛跑,因而也激起了全球科技公司的投力与合作...
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2020年3月21日,美国食品药物管理局(US Food and Drug Administration; FDA)紧急授权加州Cepheid公司销售一种快速筛检导致新型冠状肺炎(Covid-19)病毒SARS-CoV-2的新方法。Cepheid由Kurt Petersen、Allen Northrup和其他五个人于1996年创立,由于商业化基于微流体芯片的聚合酶链反应(PCR)分析设备,而在MEMS领域颇负盛名。但这并不是Cepheid第一次迅速响应这一类细菌或病毒等生物威胁。在2001年美国发生炭疽热(anthrax)恐怖攻击之后,Cepheid率先为美国邮政(U.S. Postal Service)提供了炭疽杆菌快筛能力,至今仍在使用中。

当今所有Covid-19检测方案的核心都是实时反转录聚合酶链反应(RT-PCR)分析技术。简单来说,实时RT-PCR利用热循环扩增患者拭抹样本中的DNA,然后透过荧光光学检测来搜寻病毒的特定基因组。

这项测试首先需要了解病毒的基因组;中国科学家于2020年1月10日首次公开发表了SARS-CoV-全基因组测序的关键工作。在确定了该病毒的基因组后,以德国为主导的一支研究小组仅花了7天时间就发表了用于测试患者样本的第一项方案,目前已由世界卫生组织(World Health Organization;WHO)加以采用。现在还有其他可能更快速也更经济的病毒检测方法也在研究中,例如抗体检测或CRISPR-Cas13测试等。

传统的PCR设备需要数小时才能完成热循环并取得结果。此外,由于患者拭抹样本中潜在的病毒量较低以及扩增DNA的固有限制,传统的PCR方法可能会导致大量假阴性反应。为了对抗传染性疾病爆发,必须既快速又准确地在患者等待的几分钟内完成筛检,以防止阳性患者被漏检,而对于其他人造成不必要的风险。

MEMS技术为PCR带来了两项重要优点:缩减尺寸以及整合微流体。MEMS加热器和反应室的热质量很小,因此可显著加快热-冷循环,并在数分钟内迅速得到结果。这种用于样本和试剂处理的微流体整合实现了大规模应用的新技术,例如数字PCR (dPCR)。

数字PCR方法利用微流体信道将患者的样本分成多个微孔数组或微滴乳状液(称为液滴数字PCR或ddPCR)等多个单独的样本。然后再将这些微量样本进行平行PCR处理,使其聚合后产生样本中目标分子总数。这种样本的微观平行处理显著提高了检测下限,从而提高了测试结果的准确性。

用于数字PCR的微流控室数组(来源:Combinati)

近来在湖北自然科学基金会(Hubei Natural Science Foundation)赞助的一项研究()中,证实了采用基于MEMS和微流体的PCR工具与技术来检测SARS-CoV-2,比传统的PCR方法更具优势。在这项研究中,液滴数字PCR (ddPCR)和传统PCR一并用于测试患者样本。这项发表于今年3月6日的初步研究结果(尚待进一步的临床试验证实)显示,ddPCR的SARS-CoV-2检测阈值比传统PCR阈值低500倍。这一结果意味着,在患者样本中病毒载量可能较低的情况下,ddPCR比传统PCR更有可能准确筛检出阳性患者。

MEMS PCR芯片的开发始于1990年代初。美国劳伦斯利佛摩国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory;LLNL)由Allen Northrup领军的研究小组于1993年发表了第一个基于硅的PCR芯片相关论文,该芯片后来也在1996年授权给Ceph​​eid。过去几十年来,有关如何使用MEMS材料和方法制造新颖PCR芯片,以及由硅、玻璃甚至塑料基材制成微型整体分析系统(uTAS)的研究一直在持续进行中。

由美国劳伦斯利佛摩国家实验室(LLNL)的Northrup等人开发的首款MEMS硅基PCR芯片(右)已授权给Cepheid;以及Cepheid现有的测试盒(右)

(来源:Northrup MA, Ching MT, White RM, Watson RT, “DNA amplification in a microfabricated reaction chamber,” Transducers 1993, Yokohama, Japan. pp. 924–926.)

如今,学术研究人员正致力于使用微加工方法来开发高度整合的低成本系统,特别是用于定点照护(POC)。 最新的研究案例之一是韩国ETRI和Genesystem连手的研究团队开发了一种低成本的手持式PCR原型系统,该系统具有聚酰亚胺(聚合物)腔室、微加热器以及整合的CMOS检测器,可用于光学读取结果(如下图)。

可携式PCR原型横切面图示意图(左),包括腔室、加热模块和整合型光侦测器;以及整合测试盒(右)。(来源:DS Lee, OR Choi, and YJ Seo, “A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device,” Transducers 2019, Berlin, Germany pp. 1063-1065.)

这场与时间赛跑的Covid-19战疫,也激发了全球科技公司的各种活动和合作。晶体数字PCR先驱——法国Stilla Technologies已经与中国公司合作,为郑州和信阳市提供其Naica数字PCR系统,协助他们更有效检测新型冠状病毒并监测其变异。在美国,加州Bio-Rad于2020年3月19日宣布,相较于使用qPCR的现有测试方法,其QX200液滴数字PCR系统在SARS-CoV-2的临床检测上提供了更高的灵敏度和精确度。根据美国FDA宣布的“紧急用户许可证”(Emergency Use Authorization;EUA),Bio-Rad正与科罗拉多州的Biodesix合作,致力于使基于ddPCR的测试用于Covid-19检测。甚至是以汽车和智能型手机MEMS传感器而在MEMS产业中广为人知的博世(Bosch),也将透过其Vivalytic分析仪与爱尔兰公司Randox Laboratories Ltd合作,提供快筛解决方案。

博世Vivalytic分析仪和测试盒解决方案。(来源:Bosch GmbH)

此外,韩国也迅速征召其生物技术公司进行更全面的测试,这有助于其更能确定Covid-19疫情并实施有效的控制措施。

我们衷心希望Cepheid和其他公司所提供的各种快筛测试都能在这场全球战疫中发挥效用。随着SARS、MERS和现在的Covid-19相继流行,似乎可以肯定的一件事是,快速PCR检测仪是对抗病毒爆发的一项重要医疗工具。全球正持续进行研究和开发以降低成本、提升检测结果的速度以及准确性,很快地,我们预计将会在每一位医生的诊疗室中看到配备着一台利用MEMS技术增强的PCR设备。

  • Alissa M. Fitzgerald, A.M. Fitzgerald & Associates, LLC创办人
  • Farzad Khademolhosseini, Fitzgerald & Associates, LLC合伙人,负责MEMS设计、分析与制造

(参考原文:Mobilizing MEMS to Fight Covid-19,by Alissa M. Fitzgerald & Farzad Khademolhosseini)

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