快速诊断致病细菌，预防新生儿感染：常凌乾合作团队开发便携式集成微流控生物芯片

▎药明康德内容团队编辑

B组链球菌（Group B Streptococcus, GBS）是产后感染和新生儿感染的重要病原菌之一。特别在妊娠过程中，可导致孕妇的早产、宫内感染等并发症；在分娩期间也可能导致新生儿败血症、脑膜炎或肺炎等一系列感染，是全球新生儿侵袭性感染的主要原因，每年导致9.1万名新生儿死亡，4.6万多名死产和4万名新生儿感染后患有神经残疾。因此，快速准确地诊断孕妇GBS对预防新生儿感染至关重要。

尽管在城市或城镇医院已经实现了基于规范化的实验室的GBS普筛，然而在偏远乡村地区的卫生院及妇幼保健院，受条件所限，GBS的快速诊断存在诸多挑战。

针对这一需求，北京航空航天大学常凌乾课题组设计了一种便携式集成微流控生物芯片，操作简单，无需高成本仪器，可在中心实验室以外的各种场景用于GBS快速诊断。研究结果日前发表于Biosensors ＆ Bioelectronics期刊。

研究作者介绍，这种便携式集成微流控生物芯片，可快速提取样本拭子中的DNA并进行快速扩增，最后通过试纸条可视化的读取结果，整个流程控制在40分钟以内。相比传统的核酸扩增试验（NAAT）需要6小时，这种简单、便携、无电源的微流控平台，仅通过简单的手指挤压操作，即可在1小时内完成DNA提取、富集、纯化、扩增和检测的整个过程。

作为革兰氏阳性菌，GBS特有的细胞壁和荚膜结构给传统DNA提取方法带来了额外的挑战。针对这一点，研究人员设计了一步法DNA提取管，用PDMS隔片将提取管分成两个独立的区域，分别装载样本稀释液和核酸裂解液。在操作中，被试者将取样拭子放入稀释液中释放病原体，然后轻轻拨动PDMS隔片，使稀释剂流向下方含有玻璃珠的裂解液。通过简单地用手摇动提取管，并在提供的便携式加热装置中加热10分钟，即可释放DNA。

生物芯片平台由三个功能区组成，包括DNA富集区、DNA扩增区和检测区。通过挤压4根专门的弹性软管产生显著的驱动力，可将预包装的相应缓冲液，包括裂解缓冲液、洗涤缓冲液、RPA缓冲液、运行缓冲液分别推入设备中的相应部位，依次完成核酸提取、富集/纯化、扩增和读出过程

▲用于GBS快速诊断的生物芯片的设计理念和运行过程的原理示意图（图片来源：研究团队提供）

具体来说，第一步使含有GBS DNA的液体流入富集区，DNA被预先填充的磁珠捕获，而磁珠被生物芯片下面的磁铁捕获，使DNA固定在扩增区；其余的液体被收集在废液池中。第二步，洗涤缓冲液去除磁珠表面的杂质（包括各种蛋白质和离子）。第三步，RPA缓冲液进入扩增区，在38℃下进行快速扩增。最后，将扩增溶液驱动到试纸条上，读出结果。

试纸条上的检测线（T线）上修饰链霉亲和素，质控线（C线）上修饰二抗，可以捕获RPA体系中特异性探针的生物素和FAM基团，与胶体金形成“三明治”结构，当显示红色条带时，表示阳性反应。

为了方便在中心实验室以外的场景使用该设备，课题组设计了一个可重复使用的便携式加热装置作为平台附件。该装置由4根弹性软管组成，软管内装有相应的缓冲液；核心加热功能由电池供电，控制加热板，单次反应持续加热约40分钟，分别用于DNA提取的95℃和RPA反应的38℃。

▲在临床诊断中的应用（图片来源：研究团队提供）

这种便携式集成微流控生物芯片在临床上用于GBS快速诊断的可行性也得到了验证。研究团队在中国甘肃省妇幼保健院（甘肃省中心医院）进行了47例患者的阴道和肛门拭子样本检测。通过比较qPCR实验室结果与生物芯片的显色反应，发现两者具有相同的灵敏度。最终，47例临床样本显示，平台灵敏度达到100%，与临床PCR结果一致。