體外診斷（IVD）可以在不需要侵入性醫(yī)療手段的情況下，通過分析易于獲得的患者樣本來促進(jìn)臨床決策，因而引起了人們的極大興趣。通常，集中檢測（centralized testing）需要收集大量樣本并需要將樣本運(yùn)送到中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析；與此對應(yīng)，即時(shí)檢測（POCT）是在初級醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)、社區(qū)藥房、醫(yī)生辦公室或其他患者附近的分散式醫(yī)療站點(diǎn)進(jìn)行IVD檢測，通過使用小型化檢測儀器，POCT檢測周轉(zhuǎn)時(shí)間短，試劑成本和樣品使用量少，從而有利于在資源有限的環(huán)境中進(jìn)行診斷。

磁性數(shù)字微流控（Magnetic Digital Microfluidics，MDM）技術(shù)以液滴的形式操縱流體，是POCT的首選技術(shù)，特別是對于需要相對復(fù)雜的液體操縱程序和多個(gè)分離反應(yīng)步驟的異質(zhì)性檢測來說更是如此。MDM能夠進(jìn)行大多數(shù)生物測定所需的各種液滴操作，如液滴移動(dòng)、液滴混合、磁性微珠提取和液滴分配，這有助于開發(fā)用于POCT的全功能微流控平臺。

例如，利用基于MDM的自動(dòng)化分子檢測平臺和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)檢測丙型肝炎病毒和衣原體。此外，一些基于MDM的平臺被證實(shí)可用于酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）；然而，目前還沒有一個(gè)平臺同時(shí)集成微流體控制和檢測系統(tǒng)，也沒有一個(gè)平臺可以作為用于POCT免疫診斷的獨(dú)立設(shè)備運(yùn)行。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中新國際聯(lián)合研究院（China-Singapore International Joint Research Institute）等機(jī)構(gòu)的研究人員提出了一種基于MDM的自動(dòng)化POCT平臺，該平臺具有多種創(chuàng)新功能，非常適用于POCT免疫診斷。相關(guān)研究成果以“DropLab: an automated magnetic digital microfluidic platform for sample-to-answer point-of-care testing—development and application to quantitative immunodiagnostics”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

該MDM平臺又被稱為液滴實(shí)驗(yàn)室（DropLab），集成了一個(gè)磁液滴操作模塊、一個(gè)基于成像的光學(xué)檢測模塊以及一個(gè)一次性DropLab芯片。

其中，平臺的操作模塊通過同步移動(dòng)安裝在支架上的四個(gè)磁鐵，以預(yù)設(shè)的移動(dòng)順序控制液滴的運(yùn)動(dòng)；光學(xué)檢測模塊則在透光條件下識別反應(yīng)液滴并測量其強(qiáng)度；而DropLab芯片（如圖2a所示）由4個(gè)并行單元（如圖2b所示）組成，可用于對同一樣品進(jìn)行多次重復(fù)檢測，也可在單個(gè)芯片上對不同樣品進(jìn)行檢測。

此外，該平臺包含具有用戶友好界面的交互式軟件和一個(gè)可以輕松加載所有芯片的通用適配器，這可以減輕POCT情境下非專業(yè)人員對于醫(yī)療器械操作難度的擔(dān)心。

圖1 液滴實(shí)驗(yàn)室（DropLab）平臺概覽

圖2 液滴實(shí)驗(yàn)室（DropLab）芯片示意圖

酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）因其靈敏度高、定量能力強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于免疫診斷。為了增強(qiáng)液滴的混合，提高ELISA中的清洗質(zhì)量，該研究設(shè)計(jì)了一種特殊的磁鐵運(yùn)動(dòng)序列。所提出的混合策略通過在垂直方向往復(fù)移動(dòng)以及在平面方向上按圓周移動(dòng)磁鐵來引發(fā)液滴中磁性微珠的運(yùn)動(dòng)。

微珠運(yùn)動(dòng)的效果類似于攪拌顆粒，通過攪拌液體以實(shí)現(xiàn)高效混合。每個(gè)混合循環(huán)由1個(gè)垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)和1個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)組成。為了評估所提出的混合策略的有效性，研究人員將一個(gè)黃色的（5 μL）液滴移動(dòng)到一個(gè)純水的（50 μL）液滴中，并比較了使用混合策略和未執(zhí)行混合策略時(shí)合并液滴的一系列圖像。

如圖3g所示，當(dāng)執(zhí)行混合策略（3個(gè)混合循環(huán)）時(shí)，液滴的均勻性在約54 s內(nèi)達(dá)到了大于0.95的數(shù)值水平，而如果不使用所提出的混合策略（純擴(kuò)散混合），液滴需要大約700 s才能達(dá)到類似的均勻性水平。

圖3 使用液滴實(shí)驗(yàn)室（DropLab）平臺操作液滴

此外，為了驗(yàn)證DropLab用于定量POCT免疫診斷的有效性，該研究共測試了三個(gè)靶點(diǎn)，包括兩種蛋白質(zhì)抗原，即人C-反應(yīng)蛋白（CRP）和人肌鈣蛋白C（TnC）；以及一種抗體，即抗新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）刺突（S）蛋白的人IgG抗體。結(jié)果表明，在DropLab平臺上進(jìn)行的ELISA的檢測性能與在微孔板上進(jìn)行的常規(guī)ELISA的檢測性能相當(dāng)。

圖4 在液滴實(shí)驗(yàn)室（DropLab）平臺進(jìn)行的ELISA

綜上所述，該研究開發(fā)了一個(gè)基于磁性數(shù)字微流控（MDM）技術(shù)的自動(dòng)化POCT平臺——液滴實(shí)驗(yàn)室（DropLab）。該平臺包括一個(gè)用于自動(dòng)液滴操作的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制模塊，一個(gè)用于結(jié)果采集的基于圖像的光學(xué)檢測模塊，以及一個(gè)比傳統(tǒng)微流控芯片更具成本效益的熱成型一次性芯片。同時(shí)，該平臺具有一個(gè)通用型適配器，能夠適用于各種類型的DropLab芯片，從而擴(kuò)大對不同分子診斷和表型檢測的適用性。

此外，研究結(jié)果表明，DropLab能夠自動(dòng)執(zhí)行如ELISA等需要多個(gè)階段液相和固相操作的復(fù)雜的異質(zhì)性分析。由于DropLab完全自動(dòng)化且易于操作，因此非常適合用于POCT免疫診斷，特別是在家庭診所、床邊和檢查室等初級醫(yī)療保健環(huán)境中。

與現(xiàn)有的POCT免疫診斷設(shè)備（如側(cè)向?qū)游鰷y定（LFAs））相比，DropLab提供了更靈敏和可定量的檢測結(jié)果，可以與傳統(tǒng)的微孔板ELISA相媲美。未來，進(jìn)一步的研究將集中在通過加入更靈敏的光電探測器和用基于化學(xué)發(fā)光的免疫診斷分析取代ELISA來進(jìn)一步提高DropLab的檢測限和動(dòng)態(tài)范圍。

審核編輯：劉清