便携式集成微流控生物芯片用于B组链球菌快速诊断

B组链球菌（Group B Streptococcus, GBS）是产后感染和新生儿感染中重要病原菌之一。特别是在妊娠过程中，可导致孕妇的早产、宫内感染等并发症；在分娩期间也可能会导致新生儿败血症、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4万名感染后患有神经残疾的新生儿。因此，快速准确地诊断孕妇GBS对预防新生儿感染至关重要。对于城市或者城镇医院，已经实现了基于规范化的实验室的GBS普筛。但对于资源有限的偏远乡村地区的卫生院及妇幼保健院，由于缺乏训练有素的技术人员，以及额外的、高成本的仪器，GBS的快速诊断存在诸多挑战。

据麦姆斯咨询报道，针对上述需求，北京航空航天大学常凌乾课题组在《Biosensors ＆ Bioelectronics》（IF: 12.7）期刊上发表了题为“A portable, integrated microfluidics for rapid and sensitive diagnosis of streptococcus agalactiae in resource-limited environments”的研究文章，设计了一种便携式集成微流控生物芯片，可以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。与传统的NAAT（6小时）不同，该平台是一种简单、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，因此非常适合中心实验室以外的各种场景。

作为革兰氏阳性菌，GBS具有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。针对此，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。通过使用设计的弹性软管，挤压软管产生显著的驱动力，将预包装的相应缓冲液，包括裂解缓冲液(A-软管)、洗涤缓冲液(B-软管)、RPA缓冲液(C-软管)、运行缓冲液(D-软管)分别推入设备中的相应部位，产生不同的功能。在操作时挤压A-软管，驱动含有GBS DNA的液体流入富集区，DNA被预先填充的磁珠捕获。并且，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，挤压B-软管，洗涤去除磁珠表面的杂质(包括各种蛋白质和离子)；第三步，挤压C-软管，使RPA缓冲液进入扩增区，在38℃下进行快速扩增；最后，挤压D-软管，将扩增溶液驱动到试纸条上，以读出结果。在试纸条上，在检测线（T线）上修饰链霉亲和素，在质控线（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，显示红色条带，表示阳性反应。

图1 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

考虑到这样一个简单、便携、可重复使用的设备可以用于中心实验室以外的场景，该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(裂解缓冲液、洗涤缓冲液、RPA缓冲液、运行缓冲液)，依次完成核酸提取、富集/纯化、扩增和读出过程。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℃。

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PIM平台的显色反应，发现qPCR结果与新技术具有相同的灵敏度。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。

图2 在临床诊断中的应用

该研究通讯作者为北航生物医学工程常凌乾教授、甘肃省中心医院易彬教授、甘肃省肿瘤医院苏海翔教授。第一作者是北航博士生王之莹，甘肃省中心医院晏博博士、倪亚莉主任为共同第一作者。

审核编辑：刘清