近日，天津大學藥學院張雁教授與美國哈佛大學等科研機構合作在國際頂級期刊Small發表題為“Handheld microfluidic filtration platform enables rapid, low-cost and robust self-testing of SARS-CoV-2 virus”《手持式微流控平臺實現快速、低成本、高效的自主檢測新冠病毒》的論文。這支國際化的研究團隊發明了一種不需要任何電子、光學器件裝置和操作技能培訓的家用新冠自測系統。該系統最快可以在5分鐘內得到檢測結果，並以直觀的顯色對比提供肉眼可見的結果，單片微流控晶片還可以反覆使用50次以上，極大降低了檢測成本，非常適合普通家庭和個人檢測使用。該檢測技術在長達8個月的臨床追蹤測試中對於早期普通新冠病毒和變異株都保持了極高的準確率，避免了大規模核酸取樣造成的病毒傳播風險，並可進一步調整適用於如流感等呼吸道傳染病的快速自我檢測。該研究論文已於2021年12月29日發表，並被Small期刊選為當期的內封面。
內封面插圖Illustrator: Nan Luo
一場突如其來的新冠肺炎疫情席捲了全球，將近兩年的時間，疫情在全球很多國家並未得到有效控制，更具感染力的突變病毒還有逃避疫苗防疫的可能，再次顯示人類抗疫鬥爭的長期性和常態化。新冠檢測始終是抗疫的重要一環。而核酸檢測需要專業裝置和人員操作，耗時、耗力，經濟和社會成本昂貴。目前在防疫措施嚴格，實行新冠零容忍政策的我國核酸檢測仍為行之有效的措施，但同時也給社會造成沉重的負擔，給人們的生活帶來不便。據張雁教授介紹：“各國科學家都在尋找能夠更高效和低成本的檢測手段，我們的檢測方法除了在這些方面有顯著優勢，核酸檢測特別是全民檢測使得待測人群可能暴露在易感染環境中。我們的家用微流控檢測平臺非常適合人們待在家中進行大規模篩查，避免了因核酸取樣、人員流動和聚集造成的病毒傳播，也可以避免醫務和專業檢測人員的超負荷工作。”
Graphic Abstract:基於手持式微流控裝置的快速新冠病毒檢測原理示意圖
目前，利用肉眼分辨顯色的傳統膠體金試紙條方法因為上樣量有限，無法對病毒抗原進行擴增，最終導致檢測的靈敏度較低。另一方面，其他常規的實時熒光定量PCR核酸檢測還有依賴DNA擴增的恆溫檢測都需要專業人員操作以及專業儀器裝置，包括許多基於特異性抗體的新冠抗原檢測方法也需要使用熒游標記來保證檢測的準確率。鑑於此，研究團隊創新性地使用了微流控晶片代替了毛細管層析試紙條，上樣量相比於傳統的試紙條提高了數十倍，規避了使用膠體金的常規方法對於低病毒載量樣品容易漏檢的風險。同時，微流控晶片內部特有的過濾富集通道可以將微量的抗原-抗體結合物進行定向集中，實現了顯色增強，無需輔助讀數裝置即可進行肉眼識別。
論文的第一作者兼通訊作者徐江博士解釋說：“傳統的抗原顯色檢測方法對於低濃度的病毒樣本的變色不夠敏感，打個比方來說，相當於把一滴墨水滴到一桶清水裡，它的墨色會很淡，不容易看出來，而我們的高通量微流控晶片可以把一桶清水快速過濾掉，然後把這一滴分散的墨水又集中在一起，這樣我們很容易就能用肉眼看到結果，從而大大地提高了結果的準確率。”
據張雁教授進一步介紹，論文投稿後，經過進一步的技術迭代，即便病毒載量只有十數個複製/mL的弱陽樣品，用該方法也能很容易地檢測到。該檢測晶片，使用了兩種由不同抗體修飾的微米球和奈米球，顏色分別是白色和紅色，當樣本中沒有病毒抗原時，紅色奈米球可以快速被具有特定截留孔徑的柵欄過濾，使得檢測窗呈現微米球的白色，而當新冠病毒存在時，微米球和奈米球透過表面的抗體在病毒抗原介導下形成複合物，紅色奈米球對白色微米球實現表面覆蓋，從而使檢測窗顯示肉眼可見的紅色。由於晶片設計了逆流功能，完成檢測後，在生理鹽水或清水的沖洗下微球可以從原路返回，清空檢測窗，從而可以反覆數十次乃至上百次地使用。
研究團隊還為了普通使用者的使用進行了實用性驗證，發現了在不同的操作方法（手動加樣速度）、操作條件（溫度、照明）、操作時間（5分鐘-120分鐘）下該檢測系統都體現出了優秀的魯棒性和準確率。在使用者超過100例的雙盲臨床檢驗中，測試使用者均為未經任何專業技術培訓的人員，最終取得了對於普通新冠病毒和Delta變異毒株分別高達95.4%和100%的檢測準確率。論文的共同第一作者、聯合通訊作者勞滔滔博士表示這一技術還具有極高的普適性應用潛力，可以根據不同抗原檢測需求、使用者體驗（例如是否有色盲）還有檢測場景來定製個性化的醫療檢測工具，並得到快速準確的結果。
該項研究已獲得美國國家衛生院（NIH）2項研究基金，累計超過一百萬美元的支援（funding rate<1%），美國加利佛尼亞州上市公司Fulgent genetics提供了額外的資金支援以及臨床樣品，合作團隊包括哈佛大學、天津大學、加拿大麥吉爾大學、美國波士頓分子公司（Boston Molecules Inc.）的科學家。論文的第一作者和通訊作者是哈佛大學的徐江博士，目前徐江博士已入職加拿大Virogin生物科技有限公司，擔任高階科學家與國藥集團合作，負責國產mRNA新冠疫苗與腫瘤疫苗的遞送系統研發。論文聯合通訊作者勞滔滔博士，任職哈佛大學，同時是波士頓分子公司的創始人和首席科學家。論文的聯合通訊作者張雁教授是天津大學藥學院教授、國家傑出青年科學基金獲得者，也是波士頓分子公司的聯合創始人。此外論文共同作者還有哈佛大學的索文昊博士，Johan Paulsson教授，Youlian Goulev博士，孫磊博士，加拿大麥吉爾大學的Liam Kerr等，波士頓分子公司已申請該項技術專利。全球疫情凸顯了人類命運是一個共同體，此次多國科學家共同攻關的技術知識產權方希望該項技術能應用在各國的抗疫前線，並積極尋找中國的合作方。
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內容來源：天津大學新聞網
圖片來源：天津大學新聞網
