來自美國的一組生物物理學家和生物工程師開發(fā)了一款成本僅10美元、能夠快速檢測血樣中的病原RNA或DNA的自驅(qū)動微流控芯片。這種基于芯片的檢測方法比當前常規(guī)的實驗室檢測要廉價快捷得多，尤其適合在低收入地區(qū)使用。研究人員表示，這可能為每個人打開一扇通往平價預防性醫(yī)療服務的大門。
許多研究者對開發(fā)低成本、便攜式的核酸（RNA和DNA）檢測技術(shù)感興趣，因為這一技術(shù)可用于重大疾病診斷，并有望為預防醫(yī)學帶來革命性的突破。目前對核酸進行擴增和檢測的標準方法是基于聚合酶鏈式反應（PCR）技術(shù)。這一技術(shù)十分昂貴，需要訓練有素的操作人員、步驟繁多的樣品制備工序，并依賴于需要外部能源的實驗室設(shè)備如離心機等。這些條件使得基于PCR的檢測技術(shù)在家或小診所等物資缺乏的環(huán)境中難以應用。
盡管某些簡單的即時檢驗（point-of-caretests，簡稱POCT，在發(fā)病或發(fā)生事故的地點進行診斷、監(jiān)控和治療并能快速獲得檢驗結(jié)果進行處理）目前已經(jīng)可以實現(xiàn)，但是其檢測的是蛋白質(zhì)生物標記物，并且靈敏度較低。這就意味著病人往往在發(fā)病后才會去做檢查，從而大大降低了預防性治療的可能性?！艾F(xiàn)在是時候使用基于循環(huán)核酸的高靈敏度定量分子檢測技術(shù)了”，加州大學伯克利分校的生物物理學家及生物工程師LukeLee解釋道：“這些技術(shù)能夠及早發(fā)現(xiàn)疾病，而不僅僅是確診”
在一篇近期發(fā)表于《科學進展》（ScienceAdvances）的文章中，Lee和同事們展示了一種不需要任何預處理就可以快速檢測血樣中的核酸的芯片。這一被命名為“SIMPLE（簡單）”的芯片使用了“真空電池”，可以驅(qū)動微流控系統(tǒng)從全血中自動分離血漿。血漿隨后被引流至224個極小的“微井”中。這一步驟替代了在傳統(tǒng)的基于PCR的檢測技術(shù)中用到的離心以及其他的樣品制備工序。
這種芯片是由一種聚合物（PDMS，聚二甲硅氧烷）制成，并分為兩部分。芯片中的血液檢測部分包含一系列的通道和微井，而真空電池部分則密布著管道和供空氣通過的空隙。這兩個部分基本上互為鏡像，之間用PDMS分隔開。PDMS所具有的納米孔結(jié)構(gòu)能夠讓空氣通過，而血液和其他液體則不能。
芯片構(gòu)建完成后，其內(nèi)部的氣體被排空并且密封在真空袋中。準備使用時，先要將血液樣本和生物標記物混合，讓標記物與待檢測的核酸反應，再打開真空袋將一滴混合后的液體置于芯片上。系統(tǒng)內(nèi)的低壓使得空氣重新充滿整個芯片，同時也將血樣“泵”到了芯片中。
血液樣品流經(jīng)的主通道和“微井”之間由40微米的“微壁”隔開。在通道中血細胞由于沉降落到底部，而血漿則不斷上升并越過“微壁”進入到“微井”中。
“微井”填滿后，就要將芯片放置在一個簡易的加熱包中，并隨即觸發(fā)血漿中核酸的擴增反應。擴增過程由一個包埋在“微井”中的醋酸鎂啟動因子驅(qū)動。一旦目標核酸真的存在于血漿中，那么和血樣一起加入的生物標記物就會變色或者發(fā)出熒光。目標核酸越多，參與反應的生物標記物就越多，這樣就得到了“陽性”結(jié)果。
這種芯片能在30分鐘內(nèi)檢測出HIV和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，而且分析表明分離到“微井”中的血清質(zhì)量并不比通過離心得來的差。據(jù)研究人員透露，芯片成本不到10美元，大規(guī)模生產(chǎn)后成本還可以更低。
Lee還表示，除了能夠?qū)崿F(xiàn)更靈敏、更廉價的PCR檢測，這款芯片還能用于多種疾病的快速檢驗。研究小組下一步打算將生物標記物裝入“微井”中，這樣就不用提前和血樣進行混合了?？梢韵胂?，在未來，不同的生物標記物被分別置于不同的“微井”中；通過分析疾病特有的標識物，僅用一滴血就可以檢測不同的病癥，包括傳染病、癌癥、神經(jīng)障礙等一切能夠產(chǎn)生特異性DNA的疾病。
Lee的終極目標是發(fā)明一款任何人都能操作的血液分析芯片，只需要在手指上輕輕扎一下就可以采集到足夠的血液樣本。“為什么我們不發(fā)明一種全自動且價格低廉的集成芯片呢？這樣，任何人都可以每周或每月觀察一下他們體內(nèi)各種生物指標的變化，然后據(jù)此調(diào)整自己的生活習慣?！?/p>
為了進一步開發(fā)和測試“SIMPLE”芯片以及其他類似的低成本醫(yī)療技術(shù)，Lee已經(jīng)在新加坡政府的支持下在新加坡國立大學建立了一個研究所（BiomedicalInstituteforGlobalHealthResearchandTechnology）。他非常希望能有更多的物理學者投入到生物醫(yī)學研究中來。他表示：“作為一名物理學家，我向全世界的物理學家們發(fā)出邀請，希望你們能夠參與到這類生物醫(yī)學儀器的研發(fā)中，因為將物理知識應用在這一領(lǐng)域可以大有作為。”
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