清華大學:研發出一體化自助式核酸檢測卡盒,半小時內出結果,居傢可測

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  傳統的核酸檢測慢?操作流程復雜?假陰性比例高?無法滿足即時檢測的需求?

  隨著疫情防控態勢逐漸趨穩,社會生產生活正常秩序逐漸恢復。讓每一個有需要的人都能夠得到方便、快捷、靈敏的新冠病毒核酸檢測,對當前疫情防控和復產復工復學具有極為重要的意義。

  日前,清華大學藥學院白凈衛、李寅青與醫學院生物醫學工程系劉鵬課題組聯合研發的一體化自助式SARS-CoV-2核酸檢測卡盒(BINAS),在解決以上問題上取得重大突破。該卡盒具有居傢檢測的便捷性,兩個推桿一推一拉之間,30分鐘內即可實現“樣本入、結果出”!

  這些技術難關是如何突破的呢?

  在回答這個問題前,首先需要科普一下核酸檢測到底是什麼,以及為什麼它能準確地檢出新冠病毒。

  核酸是核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)的總稱,也就是我們常說的RNA和DNA,是生物體遺傳信息的總和。

  核酸就好比一張設計圖紙,沒有它就永遠蓋不好一座大樓。

  現在常用的檢測方式如熒光PCR法(Polymerase Chain Reaction,聚合酶鏈式反應),便是利用PCR可以在生物體外擴增特定的DNA片段,從而達到檢測的目的。

  換句話說,待測樣品(疑似病人試樣)就好比一個陌生人,我們不知道他是誰,但他有一張獨一無二的“身份證”——目標DNA。我們利用PCR法不但可以看到他的“身份證”,還可以擴增復制很多張,從而利用熒光檢測來確定他到底是誰!

  這個過程說來簡單,但實際操作並不容易。

  核酸檢測並不像曼妥思糖丟入汽水時瞬間劇烈反應,也不像硫酸銅滴入氫氧化鈉會出現明顯的陽性反應,所以以往的核酸檢測往往需要在嚴苛的實驗環境條件和專業的設備下,經過2-3小時的繁瑣操作和反應才能得到檢測結果。而且,在取樣過程中非常容易受到雜質的影響,從而導致核酸提取的損失,受實驗條件的影響還會導致樣本擴增倍率低,最終經常導致“假陰性”情況出現。

劉鵬(左)、白凈衛(中)、李寅青(右)

“整裝待發”的新冠檢測卡盒

  而清華大學白凈衛、李寅青、劉鵬團隊,正是克服瞭以往核酸檢測對時間、條件和靈敏度的苛刻要求,實現瞭從咽拭子取樣、一體化卡盒反應、膠體金試讀取的自助操作,在保證準確率的前提下,30分鐘內即可出結果!

一體化卡盒的基本流程

  快速:把耐力跑變成接力跑

  “時間提速是我們這次做核酸檢測要解決的最大難題!”白凈衛此前長期從事基因測序技術的研究,積累瞭豐富的核酸樣本采集、處理、檢測的經驗。他介紹,核酸檢測PCR法利用傳統的方式讓樣品擴增,一開始樣品復制很快,但後期速度就遞減,耗時太長。

  “我們在技術攻關中,采用瞭巢式等溫擴增(ITA)技術。”白凈衛表示。

  所謂的“巢式”,可以理解為 “嵌套”,一個環節嵌套一個男生一進一出是什麼感覺講述環節。白凈衛把新冠檢測這類恒量核酸樣本的擴增的過程比喻為“運動員長跑”,運動員一開始速度很快,但是往往耐力不足。樣品擴增也是如此,一開始復制很快,但中途就衰減下來,所以為瞭提高速度,他們把“長跑”改成 “接力跑”,可以在短時間內完成對個位數的新冠病毒進行檢測。

  “最後,以上反應物在膠體金試紙上通過競爭法顯色,讀取方式與驗孕棒類似,一目瞭然。” 白凈衛說,整個過程理論上22分鐘即可完成,檢測者個人操作的話,30分鐘之內完全可以實現“樣本入,結果出”。

  靈敏:時間允許條件下樣本準確率近100%

  藥學院李寅青長期從事CRISPR技術和微量核酸處理技術的研發,積累瞭豐富的樣本處理、核酸擴增和檢測經驗。在核心檢測技術研發上,他與白凈衛緊密配合。

  為瞭克服傳統檢測方法出現“假陰性高”問題,李寅青表示,他們在樣本獲取、核酸擴增、病原識別、膠體金免疫層析顯色等環節,都進行瞭整合簡化,減少檢驗人員的幹預,提升檢測的靈敏度。

共同探討研究思路

  “比如在簡化樣本處理方面,由於咽拭子樣本通常含有抑制反應的雜質,常規檢測樣本通常需要經過核酸提取過程,這個流程費時且人工操作相對復雜,不適合未經培訓的人員使用。”李寅青說,他們通過優化裂解流程和後端擴增試劑,實現不經過核酸提取直接進入反轉錄等溫擴增的流程,極大地降低檢測過程復雜性,減少瞭因雜質導致的“假陰性”案例。

  李寅青介紹,他們用新研發的技術對19例QPCR(傳統的實時熒光定量PCR方法)陽性患者樣本進行瞭復合,結果全部可以檢出。

  “結果證明瞭本項目的靈敏度接近QPCR的靈敏程度,QPCR是300拷貝/毫升(copies/ml),我們的靈敏度小於400拷貝/毫升。此外,與近期於國際頂級期刊《自然-生物技術》(Nature Biotechnology)報道的美國加州基於CRISPR原理開發的高靈敏度技術相比,本項目獨創的帶標簽的巢式等溫擴增技術檢測時間更短靈敏度更高。”李寅青表示。

  便捷:一推一拉搞出結果!

  如果說白凈衛與李寅青主要的工作是開發檢測軟件,那麼醫學院劉鵬所承擔的任務就是研發硬件——“檢測盒”。

  劉鵬在醫學院生醫系一直從事微流控與生物芯片方面的研究工作。“這個項目最初的想法就是實現居傢使用,形狀要便攜,性能要集成。藥學院項目組前期開發的檢測試劑靈敏度高,速度快,受雜質幹擾小,恒溫檢測對溫控要求低,這些都為卡盒一體化集成提供瞭有利前提。”他提到“集成”的概念,“把檢測環節都集中一個卡盒上,通過精密的流體控制,達到高靈敏度的檢測效果。”

  劉鵬介紹,以上操作和試劑將由“一體集成化微流控卡盒”承載:第一步,移動桿帶動註射器式的活塞導致裂解的樣品流入第一個等溫擴增腔;第二步,反應10分鐘後,反應產物被稀釋;第三步,泵入第二個等溫反應室進行帶探針的進一步擴增;最後,將反應混合物泵入裝有層流試紙條的室中,以讀出測試結果。這其中,卡盒含有USB或電池供電的簡易恒溫電路,可以提供擴增反應所需要的溫度。

由清華美院趙超教授完成的卡盒外觀設計成品

  “為提高卡盒的用戶使用體驗,我們邀請瞭清華美院副院長趙超教授對卡盒進行結構和外觀設計,趙老師從用戶操作和體驗等多個角度對卡盒的定型提供瞭非常大的幫助,預計未來的卡盒長寬高約為10x10x3cm,檢測者使用時隻要把兩個推桿上下各一推,30分鐘內就可以查看結果,操作非常簡單。”劉鵬表示,根據他們的設想,未來還將進行批量化檢測卡盒研發,進行多樣本檢測,並將開發移動端APP,輔助用戶使用和結果判讀。

操作卡盒中

  據悉,下一步,該項目團隊將推進小批量卡盒裝配,驗證批量化生產的可行性,同時與醫院合作,加快臨床樣本的驗證。目前,團隊也正在積極尋找未來的合作夥伴,加快檢測卡盒的報批工作。

  研發:沒有想太多,隻想做點事

  白凈衛、李寅青、劉鵬,三人在清華的經歷非常相似,都是“70後”或“80後”,都有留美科研經歷,科研興趣相近,平時交流很多。

  今年春節,“武漢封城”的消息讓三人坐立不安。當時,他們不約而同搜索瞭領域內的相關論文並咨詢瞭戰鬥在抗疫一線的醫護工作者,亞洲視頻網站歐美視頻網站發現核酸檢測領域缺少這種能實現一體化、自助操作、高靈敏度的檢測技術。交流中一拍即合!他們立即決定開展研發,希望新產品無需任何儀器設備或操作員培訓,即可作為門診、現場或傢庭自助式病毒檢測手段。

  說幹就幹!大年初四,三人在李寅青傢裡集合一起討論。習慣瞭平時討論把思路寫在展板上的仨人,把李寅青傢的客廳當成瞭實驗室,用孩子的彩筆把思路寫在瞭墻上。

寫在墻上的研發思路

  “之後,我們基本是按照當時的思路一步步地實現。” 李寅青說,從2月的思路規劃、設計膠囊卡盒,到國產日韓歐美毛片在線3月的Nest ITA和3D微流控,到4月的臨床樣本、卡盒集成,一步接一步。面對疫情,誰也不敢松懈,剛開始因為疫情影響,主要工作都是三個人親力親為,後來陸續有年輕的研究生們放棄寒假休息主動加入,丁勝老師讓出瞭自己的細胞間,魯白老師派學生前來充實人手,程京院士給予很多指導意見,其間也得到很多熱心抗疫的企業幫助和奮鬥在抗疫一線的醫務專傢的指導。現如今,他們已經把下個月甚至直到今年年底的攻關計劃安排好,逐步推進。

  正如白凈衛、李寅青、劉鵬在采訪中所說:“疫情當前,作為年輕的科研人員,真的沒有想太多,輕裝上陣,隻想切切實實地為疫情防控能做點兒事!”