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纸基聚合物基混合可旋转微流控芯片实现多种传染性疾病的及时定量诊断

 时常在全球爆发的各种传染病对人类健康造成严重的伤害以及巨大的财产损失。那么,有没有可能实现传染病的及时诊断,从而在第一时间实现对病人有效的干预和治疗,来挽救更多人的生命健康和阻断传染病的传播呢?近日,美国德克萨斯大学埃尔帕索分校(University of Texas at El Paso, UTEP)的李秀军(XiuJun Li)团队研发的可旋转 CD 生物芯片可有效用于细菌性脑膜炎等多种传染病的低成本及时定量诊断

纸基聚合物基混合可旋转微流控芯片实现多种传染性疾病的及时定量诊断

作为许多欠发达国家和贫困地区的头号杀手,传染病一直是全世界医疗卫生领域关注的焦点。以细菌性脑膜炎为例,在症状出现后短短 24 小时之内就能致命,而且在赤贫地区具有很高的发病率。根据世界卫生组织的报道,每年大概有 100 万细菌性脑膜炎感染病例,并导致 20 万人死亡,其致死率在极度贫困的地区更加严重,比如非洲的“脑膜炎带”。现有的常规传染病诊断方法各有缺陷,比如耗时长(细菌培养)、检出率低(革兰氏染色法)、操作复杂繁琐(酶联免疫吸附测定)、需要昂贵的仪器(聚合酶联反应 qPCR)等,难以满足对传染病的及时有效诊断,尤其是在医疗和财政资源匮乏的低收入国家和地区难以实现其应用。

纸基聚合物基混合可旋转微流控芯片实现多种传染性疾病的及时定量诊断

 UTEP 的李秀军团队开发的用于传染病及时诊断的微流控生物芯片很好地弥补了上述缺憾。这种芯片只有硬币大小,由低成本的纸片和聚合物材料制成,其复合材料结构可以结合多种材料的优点。同时,该生物芯片结合 DNA 环介导等温扩增技术(Loop-mediated isothermal amplification, LAMP)和 DNA 功能化的氧化石墨烯纳米传感器,不仅可以实现高灵敏的疾病监测,而且可以对病原体进行快速的定量分析。该团队将纳米传感器与可旋转的 CD 形状的生物芯片结合,成功解决了 DNA 环介导等温扩增技术面临的重大难题:多元定量 LAMP 分析 (multiplex quantitative LAMP, mqLAMP)。LAMP 近些年得到了广泛的使用,但是在 mqLAMP 方面距离广泛使用的 PCR 一直存在很大的差距,该科研成果对该领域以及 LAMP 的进一步推广和应用具有重大的意义。这种芯片可同时成功地检测多种脑膜炎的致病菌,表现出很好的特异性。该生物芯片灵敏度很高,即使在只有几个病原体存在的情况下也可以成功地检测。另外,该团体还发现纸片的多孔三维结构能有效贮存和保护扩增引物和生物传感器,可以在长时间内保持很高的检测稳定性和灵敏性。

纸基聚合物基混合可旋转微流控芯片实现多种传染性疾病的及时定量诊断

李秀军团队研发的这种生物芯片具有成本低(材料成本仅几十美分)、对样品及试剂消耗量极少、体积轻巧、诊断速度快、灵敏度高、可同时定量诊断多种病菌等特点。另外,通过设计、改变特异的扩增引物和传感器,该生物芯片能实现对除了细菌性脑膜炎以外其他不同传染病的及时诊断,比如百日咳、埃博拉等。基于该生物芯片的传染病及时诊断技术具有广阔的应用前景,对医疗设备和资源欠缺的发展中国家及贫困地区的意义尤为重大。目前,李秀军团队正致力于此研发的商业化推广阶段。