新诊断工具：无标记无扩增纳米孔检测 更快更简单 媲美PCR的准确性

在《美国国家科学院院刊》的一篇新论文中，研究人员介绍了一种结合光流体和纳米孔技术的新系统，可以无标记无扩增直接检测生物体液中的COVID-19和寨卡病毒，快速准确且可媲美PCR。了解一下

　　

在过去的四年里，我们中的许多人已经习惯了用鼻拭子检测COVID-19，使用家庭快速抗原检测，或处理时间更长但更准确的临床提供的PCR检测。加州大学圣克鲁斯分校Holger Schmidt教授团队开发了一种新的诊断工具可以在几小时内以能匹敌PCR检测甚至更好的高精度和准确性来检测SARS-CoV-2和寨卡病毒。

在《PNAS》的一篇新论文中，Holger Schmidt团队介绍了这种结合了光流体和纳米孔技术的集成式芯片实验室（ lab-on-a-chip）诊断系统。在动物模型上的成功使他们对这项技术有望成为未来快速诊断的重大创新充满希望。“这可能会成为新一代诊断系统，”Brigham Young大学教授、该论文的资深作者Aaron Hawkins认为。

更快，更准确的检测 不需要放大

虽然PCR检测目前是病毒学检测准确性的金标准，但该方法在几个方面存在不足。PCR检测操作复杂，需要由技术熟练的操作人员进行，分析的复杂性还体现在需要热循环、RNA病毒检测的RT步骤、扩增过程的问题、定量病毒载量分析需要标准校准曲线，这些通常在中心实验室进行，不适合在资源匮乏的环境中使用。病毒DNA或RNA的扩增可能引入和放大错误。PCR检测只能检测核酸，即构成DNA和RNA的物质。但在某些疾病的情况下，可能需要检测其他生物标志物，如蛋白质。

新的诊断工具解决了这两个问题。它几乎不需要样品制备，完全不需要扩增和无标记，后者意味着它不需要光来识别生物标志物。这大大减少了诊断过程的时间和复杂性。“潜力巨大，”德克萨斯医学研究院的Patterson教授说：“你不需要放大就能得到准确结果的想法是一个巨大的进步，堪比PCR出现时令人难以置信的进步。”

诊断设计原理

想要将无标记无放大的低复杂性检测与检测灵敏度高（低检测下限(LOD)）和便携集成式芯片实验室结合，还要有宽动态范围，纳米孔技术是一种考虑。纳米孔检测是基于当粒子通过纳米孔(易位)时，离子电流穿过具有纳米级开口的膜的变化。这一原理现在构成了商业第三代纳米孔DNA测序技术的基础，但纳米孔也可以被用于检测其他生物分子，包括DNA、RNA、蛋白质、整个病毒和小分子。纳米孔由于其无标记的转导机制，提供了出色的单分子灵敏度和简单性。然而，纳米孔传感器面临着两个主要的挑战，阻碍了它们作为通用粒子传感器的更广泛应用。第一个是在识别易位颗粒时缺乏特异性，这在处理复杂的生物体液时产生了模糊性。现有的补救措施有几种，其中包括用功能化磁珠靶向捕获和过滤。第二个是低通量。

新的诊断系统结合了Schmidt在光流体领域的专业知识，即用光束控制微量流体，以及用于计数单个核酸以读取遗传物质的纳米孔。该工具旨在检测寨卡病毒和COVID-19病毒，这两种病毒近年来在医学上特别相关，也是资助这项研究的美国国立卫生研究院的优先领域。施密特的研究生、论文的第一作者Mohammad Julker Neyen Sampad说:“我们建立了一个简单的芯片实验室系统，可以在微流体、硅芯片和纳米孔检测技术的帮助下，在微型水平上进行检测。”“我们的目标是：简单、容易、低资源的检测工具——我相信我们已经实现了。”

检测首先要将生物体液样本与磁性微珠试剂混合。这些捕获微珠携带有与待检测靶标相匹配的组分。例如，如果是COVID-19检测，捕获微珠上就会有能结合SARS-CoV-2 RNA链的组分。当样本中存在SARS-CoV-2病毒，病毒的RNA将与珠子结合，可将磁珠拉到容器底部并将其他所有东西洗掉。磁性微珠进入由团队设计的硅微流体芯片中，在那里它们流过一条被超薄薄膜覆盖的又长又薄的通道，被一束光所捕获，光束将它们推到通道中的墙壁上，通道中有一个纳米孔，一个只有20纳米宽的小开口——相比之下，人类的头发大约有8万到10万纳米宽。加热芯片使RNA颗粒从磁珠上脱落，被吸收到纳米孔中，纳米孔检测病毒RNA的存在。

有前景的结果

他们的试验表明，即使在病毒浓度极低的情况下，该方法也能正确地检测到PCR测试能够检测到的每个样本中的病毒。在某些情况下，PCR检测无法检测到其中一种病毒，而施密特的系统却可以，这表明他们的系统比PCR更准确。

微流体系统比PCR机小得多，也不那么复杂。如果这一概念作为产品推向市场，其紧凑的尺寸可以很适合研究人员的实验室，能够使病毒检测的结果更快，增加了检测的可及性，并将获得结果的时间从几天缩短到几小时。

Schmidt说:“如果我们在这个系统的基础上制造一种仪器，研究人员就可以在生物安全4级实验室里使用它，你只需要滴一点样品液体，就可以在一个小时内进行测试。”“我认为这将有助于加快测试速度。”

研究人员用六种不同的生物体液——包括唾液、血液和喉咙拭子，这些液体可能含有不同的病毒载量——进行验证。这可以使研究人员更好地研究疾病如何在不同动物体内传播。

虽然在目前阶段，该测试是为了检测SARS-CoV-2和寨卡病毒而开发的，但研究人员可以进行调整，用于发现已知基因序列的任何病毒。在未来的发展中，他们计划进一步简化和最小化该系统，并使其能够同时测试多种类型的疾病，这种特性称为疾病多路复用。Schmidt还打算利用这一概念开发癌症生物标志物和其他健康状况的诊断工具，这些疾病会在体内留下DNA/RNA或蛋白质的痕迹。这一概念可能需要几年时间才能商业化并推向市场。