集成电解富集微芯片技术实现超快速灵敏mRNA检测

本研究针对当前mRNA检测方法存在的化学提取流程复杂、mRNA易降解等瓶颈问题，开发了一种电解-富集集成微流控芯片(EEMC)。该技术通过电驱动物理方法实现了全血中mRNA的快速高效提取，整个流程仅需10分钟，回收效率达90%-95%，结合环介导等温扩增(LAMP)技术，为mRNA快速处理检测提供了强大解决方案，在辐射暴露模型中对关键mRNA生物标志物(BAX、CDKN1A、GADD45A)的成功验证，推动了床旁精准诊断的发展。

　　

信使RNA（mRNA）作为遗传信息与生物功能之间的关键桥梁，其检测在基因表达分析、疾病诊断和精准医疗中扮演着重要角色。然而，mRNA的高度不稳定性成为可靠检测的主要障碍——内源性RNase可在细胞裂解后数分钟内导致mRNA快速降解。更棘手的是，传统mRNA提取方法（如TRIzol法）依赖有毒化学试剂，需要繁琐的多步纯化程序，耗时长达1.5至3小时。这些复杂流程不仅增加操作风险，还可能导致mRNA损失或降解，特别是低浓度mRNA的丢失，严重影响下游精确定量检测的准确性。即使使用RNase抑制剂，高内源性RNase活性仍常导致快速降解。此外，残留的苯酚或盐离子可能抑制逆转录酶或Taq聚合酶活性，导致扩增失败。

为突破这些技术瓶颈，研究人员在《Research》上报道了一种创新解决方案——电解-富集微流控芯片（EEMC）。该平台采用电驱动物理方法，实现直接从全血中超快速、高效提取mRNA，无需使用可能抑制下游分析的化学试剂。

研究团队通过整合微加工技术、多物理场仿真和生物分子检测方法，建立了完整的芯片设计、优化和验证体系。关键技术方法包括：微流控芯片的计算机数控（CNC）加工与紫外（UV）胶键合技术；基于COMSOL Multiphysics的流体动力学和电场分布仿真；电解裂解条件的系统优化（电压10-50V，时间5-25s）；离子浓度极化（ICP）富集参数的精确调控（电场强度50-250V/cm）；以及环介导等温扩增（LAMP）反应条件的优化（温度60-65℃，时间10-30min）。临床样本来源于中国人民解放军总医院提供的28例人体血液样本，通过不同剂量（0、1、2、8 Gy）辐射处理建立辐射暴露模型。

结构和工作原理

EEMC采用三层结构设计，集成三个功能单元：电解细胞（绿色区域）负责细胞裂解，电富集细胞（紫色区域）实现mRNA浓缩，LAMP检测细胞（黄色区域）完成最终分析。芯片尺寸为90毫米×25毫米×2毫米，包含2个并行电解通道和4个并行富集模块，通过金电极提供电解和电富集所需功率。COMSOL Multiphysics模拟显示，流道内电场强度约为400V/cm，电解细胞关键区域场强稳定在375V/cm，完全满足高效细胞裂解要求。

电解性能研究与优化

研究表明，在0.8毫米宽微流道中，细胞死亡率随电压升高和处理时间延长而增加。在30V电压下，10秒内近100%细胞裂解，qPCR检测显示此时循环阈值（Ct）最低（16.79），表明核酸提取效率最高。毛细管电泳比较显示，电解法产生的100-1,000bp目标片段占比达65.1%，显著高于试剂法的24.8%。在不同白细胞浓度（10¹至10⁷细胞）下，电解法均显示出比商业试剂盒更高的检测灵敏度。

电富集性能研究

基于动态离子浓度极化（dICP）原理，EEMC重新设计了富集区尺寸，在保持所需场强的同时实现低工作电压下的快速电富集。荧光显微镜观察发现，150V/cm场强下富集效果最优，4个并行富集模块表现一致（P ≥ 0.05）。与商业试剂盒相比，电富集法在所有目标基因（BAX、CDKN1A、GADD45A、GAPDH）上均获得更低Ct值，富集效率达92%-98%，损失率仅为1.5%-7.5%。

基于EEMC的LAMP优化研究

通过11组LAMP引物筛选，确定65℃为最佳反应温度，20分钟为最佳反应时间。灵敏度测试表明，EEMC-based LAMP可可靠检测10²拷贝/毫升及以上浓度的样本，质粒浓度对数与Tq值之间存在明显线性关系。RNA质粒检测性能与DNA质粒高度一致，确认系统对RNA样本具有高灵敏度和可靠定量能力。

临床样本验证

在辐射暴露模型中，BAX、CDKN1A和GADD45A表达水平随辐射剂量增加而上升，GAPDH表达保持稳定。EEMC在10分钟内完成处理，检测结果与商业试剂盒一致：0Gy时目标基因低表达；1-2Gy时荧光强度逐渐增加；8Gy时BAX达峰值而其他基因趋于稳定。目标基因/GAPDH比值分析显示，BAX/GAPDH与辐射剂量呈线性相关，CDKN1A/GAPDH和GADD45A/GAPDH在排除8Gy数据后也呈现线性关系。

这项研究开发的EEMC平台通过电驱动物理方法取代传统化学处理，克服了当前mRNA提取方法的基本局限性。其超快速处理能力（较传统技术快6倍）为临床决策提供关键支持，高完整性mRNA回收（效率90%-95%）确保诊断准确性，无有害化学试剂的操作体现环境友好性，从研究到床旁环境的广泛适用性展现巨大应用潜力。该技术将mRNA检测成本从每次约2美元显著降低至0.5美元以下，为大规临床模筛查提供可行方案，在精准医学和个性化医疗领域具有重要推广价值。