卷对卷（roll-to-roll）制备的箔基芯片实验室（lab-on-foil, LOF）平台用于乳糖不耐受床旁（point-of-care, POC）基因检测：系统设计、集成与分析验证

《Frontiers in Lab on a Chip Technologies》：A roll-to-roll fabricated lab-on-foil platform for point-of-care genetic detection of lactose intolerance: system design, integration and analytical validation

　　

研究人员提出了一种用于床旁（POC）基因检测的箔基芯片实验室（lab-on-foil, LOF）微流控平台，该平台将卷对卷（roll-to-roll, R2R）紫外纳米压印光刻（UV nanoimprint lithography, UV-NIL）与片上环介导等温扩增（loop-mediated isothermal amplification, LAMP）及单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）的序列特异性检测相结合。集成系统包括一个由R2R UV-NIL制造的微流控芯片和一台便携式读取仪，可实现受控等温孵育、自动化试剂处理以及基于化学发光（chemiluminescence）的信号检测。分析验证使用67个已知LCT –13910C>T基因型的基因组DNA样本进行，在四台读取仪上共完成167次测量运行。基因型分类基于等位基因特异性信号比和预定义质量控制标准。在167次运行中，49次（29.3%）符合验收标准并纳入诊断性能分析。采用最终决策阈值，该检测对识别临床相关的C/C基因型实现了100.0%灵敏度和80.6%特异度，阳性预测值为65.0%，阴性预测值为100%。基因型判别在约50分钟内完成。结果证实了可扩展R2R制造微流控芯片与集成核酸扩增及等位基因特异性检测流程的兼容性。尽管分析检测原理被证明可行，但整体系统性能主要受原型集成过程中流体处理、温度均匀性和试剂递送的限制。总体而言，所展示的平台证明了可扩展箔基芯片实验室技术在去中心化遗传诊断和未来多重POC检测应用中的潜力。

研究背景方面，乳糖不耐受主要由LCT基因上游MCM6内含子13中–13910C>T（rs4988235）单核苷酸多态性（SNP）决定，C/C基因型对应乳糖酶非持久性即原发性乳糖不耐受。传统诊断依赖氢呼气试验或基于PCR的实验室基因分型，前者受生理因素干扰，后者需热循环仪、专业人员和数小时周转，难以在资源有限环境开展。为突破限制，研究人员将等温扩增与微流控结合，并引入卷对卷（R2R）紫外纳米压印光刻（UV-NIL）实现箔基芯片实验室（LOF）一次性芯片的低成本量产，旨在构建可在床旁（POC）完成LCT –13910C>T分型的全自动系统。

主要关键技术方法包括：采用R2R UV-NIL在柔性聚合物箔上连续压印约85 μm深通道，网速1 m/min；通过R2R兼容压电微点样将等位基因特异性寡核苷酸探针以4 nL液滴阵列固定于检测区，UV固化于水凝胶基质；UV辅助层压密封；激光切割进样口与单粒化。读取仪基于改装GENSPEED R2平台，增加闭环电阻加热元件（60 ℃±1 ℃扩增、80 ℃变性）与双进样口流体驱动，35像素光电二极管阵列检测化学发光。样本为67例已知基因型人全血基因组DNA（55例来自Coriell Institute，12例来自ViennaLab Diagnostics）及合成gBlocks，浓度1–10 ng/μL，DNA离片提取后上样。

研究结果部分，“R2R箔基芯片的制造与功能完整性”表明优化后芯片无溶胀渗漏，毛细驱动填充稳定，证实R2R UV-NIL与UV层压架构兼容60 ℃片上LAMP。“探针固定与信号均匀性”显示四检测区（C探针、T探针、阴性、阳性对照）空间分离匹配光二极管， homozygous样本信号簇分离清晰，heterozygous（C/T）呈中间比值易重叠。“片上扩增与等位基因特异性检测”得出有效测量中AU_T/AU_C均值C/C=0.37、C/T=1.31、T/T=4.40，三簇可分。“基于人DNA样本的分析验证”中167次运行仅49次（29.3%）通过质控，以C/C为阳性类，Youden指数优化切点0.81与1.9，灵敏度100%、特异度80.6%、PPV 65.0%、NPV 100%，总时长约50分钟。“重复性与系统鲁棒性”跨3台读取仪30次C/T测量仅18次有效，AU_T/AU_C均值2.01（SD 0.84），异质性边界样本易误判为T/T。

讨论部分指出，无效运行主因是原单进样注塑卡夹改双进样箔卡与读取仪集成不成熟、小体积试剂递送偏差、箔面润湿不均致气泡与传输不全，而非生化原理缺陷；有效运行基因型判别可靠。NPV 100%意味着不会漏诊乳糖酶非持久性，但PPV中等致部分持久性个体误报C/C需复核。异质子中间信号比近阈值是误分主源。平台证明R2R制造LOF与LAMP-化学发光等位基因检测集成可行，为多重SNP POC奠基。

结论部分翻译如下：本工作中，研究人员展示了用于单核苷酸多态性（SNP）诊断的箔基芯片实验室微流控芯片的成功设计与卷对卷制造，并将其集成至紧凑型读取仪平台，实现全自动LAMP扩增与片上化学发光检测。系统分析性能用67个DNA样本评估，在有效操作条件下实现了LCT –13910C>T变异临床相关C/C基因型的片上识别。所呈现的制造与系统架构为可扩展产品开发、临床验证及多重诊断面板实施提供了明确路径。除乳糖不耐受检测特定应用外，该平台为床旁去中心化快速分子诊断建立了通用技术基础。论文发表于《Frontiers in Lab on a Chip Technologies》。