自供电微流控芯片技术实现结核分枝杆菌感染快速特异性T细胞反应检测

研究人员针对现有γ-干扰素释放试验(IGRA)在资源有限地区和HIV合并感染人群中的诊断局限性，开发了基于4-1BB/OX-40标记的微流控抗原特异性T细胞反应检测系统(ASTRA)。该技术通过纳米酶驱动实现4小时快速检测，在HIV阳性人群中灵敏度达93.8%，显著优于传统IGRA(67%)，为结核病筛查提供了更高效的解决方案。

　　

结核病(TB)仍是全球最致命的传染病之一，约四分之一人口携带结核分枝杆菌(M.tb)潜伏感染，其中5-10%会发展为活动性结核。现有诊断方法如结核菌素皮肤试验(TST)和γ-干扰素释放试验(IGRA)存在明显局限：IGRA需要24-48小时检测时间，在HIV感染者中因CD4⁺ T细胞功能抑制导致假阴性率高达33%，且需要专业实验室支持。这些缺陷严重阻碍了在资源有限地区的结核筛查工作。

美国杜兰大学医学院Bo Ning和Tony Hu团队在《Nature Biomedical Engineering》发表研究，开发出自供电微流控抗原特异性T细胞反应检测系统(ASTRA)。该技术通过检测T细胞表面激活标记4-1BB(TNFRSF9/CD137)和OX-40(TNFRSF4/CD134)而非细胞内IFN-γ，解决了HIV感染者中T细胞功能异常导致的诊断难题。研究团队设计了六入口三出口的微流控芯片，集成抗体功能化反应室，并创新性地采用Pt-Ni纳米酶催化H₂O₂分解产生氧气作为流体驱动力，实现了无需外部泵的自动化检测。

关键技术包括：(1)优化微流控芯片的流速(30-150μm/s)和抗体偶联条件；(2)开发基于昆虫防御机制启发的化学驱动系统；(3)使用10nm Pt-Ni纳米酶替代传统酶；(4)建立针对25μL指尖血样本的处理流程。研究采用越南(44例)、斯威士兰(44例)、休斯顿(38例)和新奥尔良(22例)四个独立队列进行验证。

【ASTRA优化与性能评估】
通过比较PHA刺激后PBMC中4-1BB、OX-40和IFN-γ的表达动态，发现三者均在4小时内显著上调。在HIV阴性越南队列中，ASTRA 4-1BB+OX-40检测与IGRA(T-SPOT.TB)结果高度一致(R²=0.92)，ROC曲线下面积(AUC)达0.98。微流控芯片在10μl/min流速下捕获效率最佳，抗体偶联玻片较裸片捕获效率提高3倍。

【HIV感染人群诊断性能】
在HIV高流行的斯威士兰队列中，ASTRA对HIV阳性TB/LTBI患者的灵敏度达93.8%(15/16)，显著优于IGRA的62.5%(10/16)。特别值得注意的是，ASTRA成功检出5例IGRA假阴性的HIV阳性TB病例。在CD4⁺计数<200/μl的样本中，ASTRA仍保持90%的检出率。

【独立验证队列结果】
休斯顿队列验证显示，HIV阳性个体的M.tb肽刺激后IFN-γ表达被显著抑制，但4-1BB/OX-40信号不受影响。ASTRA检出6例IGRA阴性但临床确诊的TB病例，包括1例结核性脑膜炎患者，证实其对肺外结核的诊断价值。

【自供电芯片开发】
创新的双层滑动芯片设计通过45度角位移改变流道连接，配合50μg/ml Pt-Ni纳米酶(催化效率比天然酶高1.8倍)实现稳定流速(30-150μm/s)。全血检测结果显示，25μL样本与PBMC检测结果高度一致(r=0.89)，检测时间压缩至4小时，成本降低60%。

这项研究突破了现有结核免疫诊断的技术瓶颈：首先，采用4-1BB/OX-40双标记策略克服了HIV相关的IFN-γ表达抑制问题；其次，纳米酶驱动的自供电系统使检测摆脱了对电力设备和专业实验室的依赖；最后，微流控技术整合将检测流程从多步骤操作简化为"样本进-结果出"的一体化操作。该技术不仅适用于结核病筛查，其模块化设计也为其他感染性疾病和肿瘤免疫治疗的免疫监测提供了通用平台。研究者特别指出，ASTRA在资源有限地区的应用将显著提升HIV-TB共感染这一高危人群的早期诊断率，对实现WHO"终结结核"战略目标具有重要意义。