清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)核酸檢測(cè)卡盒，可30分鐘內(nèi)出結(jié)果
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傳統(tǒng)的核酸檢測(cè)慢？操作流程復(fù)雜？假陰性比例高？無(wú)法滿足即時(shí)檢測(cè)的需求？ 隨著疫情防控態(tài)勢(shì)逐漸趨穩(wěn)，社會(huì)生產(chǎn)生活正常秩序逐漸恢復(fù)，如何讓每一個(gè)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(cè)，對(duì)當(dāng)前疫情防控和復(fù)產(chǎn)復(fù)工復(fù)學(xué)具有極為重要的意義。 日前，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉鵬與藥學(xué)院白凈衛(wèi)、李寅青課題組在北京市科委和清華自主研發(fā)計(jì)劃支持下聯(lián)合研發(fā)的一體化自助式SARS-CoV-2核酸檢測(cè)卡盒（BINAS），在解決以上問(wèn)題上取得重大突破。該卡盒具有居家檢測(cè)的便捷性，兩個(gè)推桿一推一拉之間，30分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)“樣本入、結(jié)果出”！
原理
弄清病毒“身份證”
這些技術(shù)難關(guān)是如何突破的呢？在回答這個(gè)問(wèn)題前，首先需要科普一下核酸檢測(cè)到底是什么，以及為什么它能準(zhǔn)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(shuō)的RNA和DNA，是生物體遺傳信息的總和。核酸就好比一張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙，沒(méi)有它就永遠(yuǎn)蓋不好一座大樓。
現(xiàn)在常用的檢測(cè)方式如熒光PCR法（Polymerase Chain Reaction，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)），便是利用PCR可以在生物體外擴(kuò)增特定的DNA片段，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。
換句話說(shuō)，待測(cè)樣品（疑似病人試樣）就好比一個(gè)陌生人，我們不知道他是誰(shuí)，但他有一張獨(dú)一無(wú)二的“身份證”——目標(biāo)DNA。我們利用PCR法不但可以看到他的“身份證”，還可以擴(kuò)增復(fù)制很多張，從而利用熒光檢測(cè)來(lái)確定他到底是誰(shuí)！
這個(gè)過(guò)程說(shuō)來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作并不容易。
核酸檢測(cè)并不像曼妥思糖丟入汽水時(shí)瞬間劇烈反應(yīng)，也不像硫酸銅滴入氫氧化鈉會(huì)出現(xiàn)明顯的陽(yáng)性反應(yīng)，所以以往的核酸檢測(cè)往往需要在嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件和專業(yè)的設(shè)備下，經(jīng)過(guò)2-3小時(shí)的繁瑣操作和反應(yīng)才能得到檢測(cè)結(jié)果。而且，在取樣過(guò)程中非常容易受到雜質(zhì)的影響，從而導(dǎo)致核酸提取的損失，受實(shí)驗(yàn)條件的影響還會(huì)導(dǎo)致樣本擴(kuò)增倍率低，最終經(jīng)常導(dǎo)致“假陰性”情況出現(xiàn)。
劉鵬（左）、白凈衛(wèi)（中）、李寅青（右）
“整裝待發(fā)”的新冠檢測(cè)卡盒
而清華大學(xué)劉鵬、白凈衛(wèi)、李寅青團(tuán)隊(duì)，正是克服了以往核酸檢測(cè)對(duì)時(shí)間、條件和靈敏度的苛刻要求，實(shí)現(xiàn)了從咽拭子取樣、一體化卡盒反應(yīng)、膠體金試讀取的自助操作，在保證準(zhǔn)確率的前提下，30分鐘內(nèi)即可出結(jié)果！
快速
把耐力跑變成接力跑
“時(shí)間提速是我們這次做核酸檢測(cè)要解決的最大難題！”白凈衛(wèi)此前長(zhǎng)期從事基因測(cè)序技術(shù)的研究，積累了豐富的核酸樣本采集、處理、檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)。他介紹，核酸檢測(cè)PCR法利用傳統(tǒng)的方式讓樣品擴(kuò)增，一開(kāi)始樣品復(fù)制很快，但后期速度就遞減，耗時(shí)太長(zhǎng)。
“我們?cè)诩夹g(shù)攻關(guān)中，采用了巢式等溫?cái)U(kuò)增（ITA）技術(shù)?！卑變粜l(wèi)表示。所謂的“巢式”，可以理解為 “嵌套”，一個(gè)環(huán)節(jié)嵌套一個(gè)環(huán)節(jié)。白凈衛(wèi)把新冠檢測(cè)這類恒量核酸樣本的擴(kuò)增的過(guò)程比喻為“運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)跑”，運(yùn)動(dòng)員一開(kāi)始速度很快，但是往往耐力不足。樣品擴(kuò)增也是如此，一開(kāi)始復(fù)制很快，但中途就衰減下來(lái)，所以為了提高速度，他們把“長(zhǎng)跑”改成 “接力跑”，可以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)個(gè)位數(shù)的新冠病毒進(jìn)行檢測(cè)。
“最后，以上反應(yīng)物在膠體金試紙上通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)法顯色，讀取方式與驗(yàn)孕棒類似，一目了然?！?白凈衛(wèi)說(shuō)，整個(gè)過(guò)程理論上22分鐘即可完成，檢測(cè)者個(gè)人操作的話，30分鐘之內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)“樣本入，結(jié)果出”。
靈敏
時(shí)間允許條件下樣本準(zhǔn)確率近100%
藥學(xué)院李寅青長(zhǎng)期從事 CRISPR 技術(shù)和微量核酸處理技術(shù)的研發(fā)，積累了豐富的樣本處理、核酸擴(kuò)增和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。在核心檢測(cè)技術(shù)研發(fā)上，他與白凈衛(wèi)緊密配合。
為了克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法出現(xiàn)“假陰性高”問(wèn)題，李寅青表示，他們?cè)跇颖精@取、核酸擴(kuò)增、病原識(shí)別、膠體金免疫層析顯色等環(huán)節(jié)，都進(jìn)行了整合簡(jiǎn)化，減少檢驗(yàn)人員的干預(yù)，提升檢測(cè)的靈敏度。
共同探討研究思路
“比如在簡(jiǎn)化樣本處理方面，由于咽拭子樣本通常含有抑制反應(yīng)的雜質(zhì)，常規(guī)檢測(cè)樣本通常需要經(jīng)過(guò)核酸提取過(guò)程，這個(gè)流程費(fèi)時(shí)且人工操作相對(duì)復(fù)雜，不適合未經(jīng)培訓(xùn)的人員使用。”李寅青說(shuō)，他們通過(guò)優(yōu)化裂解流程和后端擴(kuò)增試劑，實(shí)現(xiàn)不經(jīng)過(guò)核酸提取直接進(jìn)入反轉(zhuǎn)錄等溫?cái)U(kuò)增的流程，極大的降低檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜性，減少了因雜質(zhì)導(dǎo)致的“假陰性”案例。
李寅青介紹，他們用新研發(fā)的技術(shù)對(duì)19 例 QPCR（傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)熒光定量PCR方法）陽(yáng)性患者樣本進(jìn)行了復(fù)合，結(jié)果全部可以檢出。
“結(jié)果證明了本項(xiàng)目的靈敏度接近QPCR的靈敏程度，QPCR是300 拷貝/毫升（copies/ml），我們的靈敏度小于400拷貝/毫升。此外，與近期于國(guó)際頂級(jí)期刊 Nature Biotechnology 報(bào)道的美國(guó)加州基于CRISPR原理開(kāi)發(fā)的高靈敏度技術(shù)相比，本項(xiàng)目獨(dú)創(chuàng)的帶標(biāo)簽的巢式等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)檢測(cè)時(shí)間更短靈敏度更高?！崩钜啾硎尽?/span>
便捷
一推一拉出結(jié)果！
如果說(shuō)白凈衛(wèi)與李寅青主要的工作是開(kāi)發(fā)檢測(cè)軟件，那么醫(yī)學(xué)院劉鵬所承擔(dān)的任務(wù)就是研發(fā)硬件——“檢測(cè)盒”。
劉鵬在醫(yī)學(xué)院生醫(yī)系一直從事微流控與生物芯片方面的研究工作?！斑@個(gè)項(xiàng)目最初的想法就是實(shí)現(xiàn)居家使用，形狀要便攜，性能要集成。藥學(xué)院項(xiàng)目組前期開(kāi)發(fā)的檢測(cè)試劑靈敏度高，速度快，受雜質(zhì)干擾小，恒溫檢測(cè)對(duì)溫控要求低，這些都為卡盒一體化集成提供了有利前提?！彼岬健凹伞钡母拍?，“把檢測(cè)環(huán)節(jié)都集中一個(gè)卡盒上，通過(guò)精密的流體控制，達(dá)到高靈敏度的檢測(cè)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(dòng)桿帶動(dòng)注射器式的活塞導(dǎo)致裂解的樣品流入第一個(gè)等溫?cái)U(kuò)增腔；第二步，反應(yīng)10 分鐘后，反應(yīng)產(chǎn)物被稀釋；第三步，泵入第二個(gè)等溫反應(yīng)室進(jìn)行帶探針的進(jìn)一步擴(kuò)增；最后，將反應(yīng)混合物泵入裝有層流試紙條的室中，以讀出測(cè)試結(jié)果。這其中，卡盒含有 USB 或電池供電的簡(jiǎn)易恒溫電路，可以提供擴(kuò)增反應(yīng)所需要的溫度。
由美術(shù)學(xué)院趙超教授完成的卡盒外觀設(shè)計(jì)成品
“為提高卡盒的用戶使用體驗(yàn)，我們邀請(qǐng)了美術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)趙超教授對(duì)卡盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計(jì)，趙老師從用戶操作和體驗(yàn)等多個(gè)角度對(duì)卡盒的定型提供了非常大的幫助，預(yù)計(jì)未來(lái)的卡盒長(zhǎng)寬高約為10x10x3cm，檢測(cè)者使用時(shí)只要把兩個(gè)推桿上下各一推，30分鐘內(nèi)就可以查看結(jié)果，操作非常簡(jiǎn)單?！?劉鵬表示，根據(jù)他們的設(shè)想，未來(lái)還將進(jìn)行批量化檢測(cè)卡盒研發(fā)，進(jìn)行多樣本檢測(cè)，并將開(kāi)發(fā)移動(dòng)端 APP，輔助用戶使用和結(jié)果判讀。
操作卡盒中
據(jù)悉，下一步，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將推進(jìn)小批量卡盒裝配，驗(yàn)證批量化生產(chǎn)的可行性，同時(shí)與醫(yī)院合作，加快臨床樣本的驗(yàn)證。目前，團(tuán)隊(duì)也正在積極尋找未來(lái)的合作伙伴，加快檢測(cè)卡盒的報(bào)批工作。
研發(fā)
沒(méi)有想太多，只想做點(diǎn)事
劉鵬、白凈衛(wèi)、李寅青，三人在清華的經(jīng)歷非常相似，都是70后或80后，都有留美科研經(jīng)歷，科研興趣相近，平時(shí)交流很多。
今年春節(jié)，“武漢封城”的消息讓三人坐立不安。當(dāng)時(shí)，他們不約而同搜索了領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)論文并咨詢了戰(zhàn)斗在抗疫一線的醫(yī)護(hù)工作者，發(fā)現(xiàn)核酸檢測(cè)領(lǐng)域缺少這種能實(shí)現(xiàn)一體化、自助操作、高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)。在交流中一拍即合！他們立即決定開(kāi)展研發(fā)，希望新產(chǎn)品無(wú)需任何儀器設(shè)備或操作員培訓(xùn)，即可作為門(mén)診、現(xiàn)場(chǎng)或家庭自助式病毒檢測(cè)手段。
說(shuō)干就干！大年初四，三人在李寅青家里集合一起討論。習(xí)慣了平時(shí)討論把思路寫(xiě)在展板上的仨人，把李寅青家的客廳當(dāng)成了實(shí)驗(yàn)室，用孩子的彩筆把思路寫(xiě)在了墻上。
寫(xiě)在墻上的研發(fā)思路
“之后，我們基本是按照當(dāng)時(shí)的思路一步步的實(shí)現(xiàn)。” 李寅青說(shuō)，從2月的思路規(guī)劃、設(shè)計(jì)膠囊卡盒，到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(duì)疫情，誰(shuí)也不敢松懈，剛開(kāi)始因?yàn)橐咔橛绊?，主要工作都是三個(gè)人親力親為，后來(lái)陸續(xù)有年輕的研究生們放棄寒假休息主動(dòng)加入，丁勝老師讓出了自己的細(xì)胞間，魯白老師派學(xué)生前來(lái)充實(shí)人手，程京老師給予很多指導(dǎo)意見(jiàn)，期間也獲得了很多熱心抗疫的企業(yè)幫助和奮斗在抗疫一線的醫(yī)務(wù)專家的指導(dǎo)，現(xiàn)如今，他們已經(jīng)把5月、6月甚至到今年年底的攻關(guān)計(jì)劃安排好，逐步推進(jìn)。
正如劉鵬、白凈衛(wèi)、李寅青在采訪中所說(shuō)：“疫情當(dāng)前，作為年輕的科研人員，真的沒(méi)有想太多，輕裝上陣，只想切切實(shí)實(shí)地為疫情防控能做點(diǎn)兒事！”
注：本文轉(zhuǎn)載自清華大學(xué)。
