新型芯片实验室平台:可快速检测多种传染病病原体!_汶颢股份
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新型芯片实验室平台:可快速检测多种传染病病原体!

可快速检测多种传染病病原体

对于人类的死亡和残疾来说,传染性疾病仍旧是“全球顶级贡献者”。举例来说,2015年寨卡病毒成为国际关注的热点。有证据显示,寨卡病毒可能与影响巴西的流行病以及新生儿的小头畸形率增加相关。寨卡病毒已经演变成广泛的全球性问题。世界卫生组织(WHO)去年的文件记录显示,从2016年6月起,60个国家和地区报告了持续的蚊媒传播。

目前对于寨卡、登革热、基孔肯雅热等蚊媒病毒的检测需要在医院的化验室进行,患者需要等上几天才能拿到结果。检测使用的仪器设备,体积差不多和微波炉一般,成本高达2万美金。寨卡等病毒大多数流行于医疗条件落后的发展中国家,在这些国家的小型诊所内,进行快速有效的病毒检测显得很不现实。

此外,寨卡病毒与登革热、基孔肯雅热的症状相似,所以需要精准的诊断区分这些感染,从而确定是否有必要进行积极治疗或者隔离。因此,更加需要一种简单、灵敏、易转换的定点照护测试方案。

之前,美国圣地亚国家实验室开发的一种基于智能手机便携式诊断平台,它由智能手机控制,通过电池供电,重量不到1磅,成本低至100美元,检测寨卡等蚊媒病毒的时间在30分钟之内。

基于微流控技术智能手机便携式诊断平台

(图片来源: 美国圣地亚国家实验室)

最近,美国伊利诺伊大学香槟分校和华盛顿大学塔科马分校的科研人员组成的多学科小组开发出一种新型医疗诊断平台,它使用智能手机作为探测仪,配合一个信用卡格式的测试包,对于传染病进行即时诊断。

微流控芯片实验室平台:可快速检测多种传染病病原体

(图片来源: 伊利诺伊大学香槟分校微纳米技术实验室)

该小组由伊利诺伊大学电气和计算机工程系教授 Brian T. Cunningham、伊利诺伊大学生物工程系教授 Rashid Bashir、华盛顿大学塔科马分校教授 David L. Hirschberg(他隶属于跨学科艺术和科学学院科学和数学系)领导。项目的合作者包括肯塔基州的一名私人执业的马专家和兽医 David Nash 博士以及美国国家超级计算应用中心的计算机科学家 Ian Brooks 博士。

相关研究论文发表于《分析化学》(Analytical Chemistry)杂志,演示了该系统用于四种马的呼吸道疾病检测。另一篇相关论文发表于《生物医学微型设备》(Biomedical Microdevices),演示了该系统用于检测和量化一滴全血中的寨卡、登革热、基孔肯雅病毒。

出于研究需要,马被用作研究人类和食用动物中呼吸疾病的动物模型。David Nash 表示:

“通常,你可以先从动物的角度出发开发诊断工具,从而更加容易地开发用于人类的诊断工具。许多疾病首先在动物身上显现,就像矿井中的金丝雀。”

项目的关键贡献者 Nash 博士评论马的传染病疫情对于经济的影响:

“对于养马的人来说,这是非常费钱的,而且它破坏了马术运动的商业运作。例如,在2016年12月25日,新奥尔良“公平赛马场”(Fair Grounds Race Course)马厩中的一匹马出现发热,随后出现神经症状。而国家诊断实验室在100英里之外,且正处于圣诞节假期。最终的后果就是:马1型疱疹病毒(EHV-1)爆发,导致赛马场隔离了200匹马,对于马主和赛马场业主( Churchill Downs, Inc.)都造成了严重经济损失。后果可想而知,由于疾病爆发,他们不得不推迟肯塔基赛马大会。”

人类定点照护(POC)诊断或者移动兽医实验室的功用之一就是:通过单一测试协议,同时检测多个病原体,降低成本,节约时间和精力,且分辨出引起相似症状的一组病原体。

有了这项技术,临床医生可以在办公室或者现场迅速诊断疾病,从而更早、更明智地进行病人管理决策,显著改善疾病暴发的管控。在病人身边广泛采用定点照护测试的先决条件之一就是:检测仪器廉价、便携、且能够通过网络无线分享数据。

该系统采用商用智能手机获取并解释发生在硅微流控芯片中的酶促扩增反应的实时图像。这种硅微流控芯片会生成绿色荧光,并显示出该测试的可视读数。系统由普通的智能手机和便携式3D打印支架构成,支架用于支撑光学和电气元件,并且成为智能手机后置摄像头的接口。

智能手机上运行的软件应用收集了相关测试信息。这些测试在微流控卡上进行,病人的特殊信息和化验结果则被传输至云存储数据库。

硅微流控芯片技术平台

(图片来源: 伊利诺伊大学香槟分校微纳米技术实验室)

价值

这种低成本、便携式、集成智能手机的系统提供了一种极有前途的解决方案,它可以应对传染性疾病诊断的相关挑战,特别是在条件有限的地区或者需要立即获取结果的情况下。该诊断工具集成了移动通信技术,从而开启了个性化的病人照护,并促进了卫生保健提供者和流行病学监测工作的信息管理。重要的是,比起那些基于实验室的方法和仪器,该系统达到了检测极限,差不多30分钟出结果。

Nash 博士表示:

“这个项目是游戏规则的改变者。它是医学授权的一线医护人员的未来。我们不能阻止病毒和细菌,但是我们能够更加快速地诊断。在项目提案阶段,我们展示出该项目对于人类和动物具有明显的益处,后来我们的结果证明了我们的假设。下一步,我们想要进入现场、多个站点、多个地理位置,以及测试真实世界的情况。”

伊利诺伊大学的研究生和研究助理 Fu Sun 将这个项目作为她职业的主要目标之一:

“我进入研究生院,希望通过研发促进疾病预防、诊断或者治疗的生物医学设备,创造出一个更好的世界。这个项目符合我的目标,因为它提供了一种定点照护的解决方案,可用于快速诊断传染病。通过智能手机与云数据库相连接,现场的医疗服务人员将能够拥抱大数据和物联网的新时代。”

参考资料

1】https://mntl.illinois.edu/news/article/23759

2】http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.7b02478

3】https://link.springer.com/article/10.1007/s10544-017-0209-9

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