SIMOA理论基础

单分子检测 Single-molecule Array，SIMOA，也被称作digital ELISA，它的出现将蛋白质检测技术直接带入到单分子、数字化检测时代。

SIMOA检测的生物学原理仍然是经典的免疫反应-双抗夹心法，所不同的是，

SIMOA技术将约250,000个捕获抗体包被在2.7 μm的小磁珠上，检测时加入生物素标记的检测抗体及亲和素偶联的酶和底物，通过一层油将单个磁珠分别封闭在238,000个4.5 μm的反应孔（Well）中进行反应。由于每个小孔的反应体系仅仅为50飞升，比传统ELISA小20亿倍，这时小孔中即使只有一个分子，其催化底物就可产生3000个荧光分子，通过CCD摄像头即可捕获到信号，利用泊松分布理论可计算出阳性荧光小孔（On Well）对应的蛋白浓度值，实现数字化单分子检测的愿望。灵敏度比ELISA提高出1000倍以上。

图1 Simoa检测流程

单分子酶联免疫反应这一技术，最早发表于Nature Biotechnology杂志。通过磁珠和芯片式的检测体系，可以很好地分离及检测单个蛋白分子。

当需要检测极低浓度靶蛋白时，根据泊松分布的理论，一个磁珠上会捕获一个靶标或者没有捕获。

比如50aM的蛋白，0.1ml的溶液，大约有3000个分子，用23万个磁珠去捕获目标分子。根据泊松分布的规则，大约1.5% 的磁珠有机会（就是3000个分子能够充分反应）捕获到1个蛋白分子，98.5%的磁珠不会捕获到靶蛋白。

如果是传统板式检测方式，由于1.5%信号很快被98.5%无信号体系稀释，所以弱信号很难和背景信号区分开来，因此不能显示阳性结果。

而SIMOA技术，将捕获到一个蛋白分子的磁珠隔绝在50fL的反应孔中（是传统反应体系的20亿分之一），赋予每个磁珠一个独立的反应背景，它最终呈现的信号就是“有”或“没有”

因此，即使是3000单个蛋白中的一个分子被捕获了，它存在的荧光也会被记录为“有”，从而和完全的阴性“没有”区分开。

在Nature biotechnology发表的文献中，SIMOA达到的检测下限为0.2fM/L (biotin磁珠，检测 亲和素-半乳糖苷酶）

图2 Simoa与ELISA对比

所以说SIMOA 单分子酶联免疫反应是通过免疫磁珠结合单分子蛋白的技术实现对超低目的蛋白含量样品（低于fmol级别）的蛋白分子数的精确数字化定量技术。

SIMOA最近战绩

2021年，Quanterix 估计 全年收入为 1.09 亿美元至 1.11 亿美元，比2020年同比增长53%，其中产品销售额为8000万到8200万美元，仪器安装量增加了 32%，达到 708 台。

单分子检测展望

2021年，在神经病学领域的 SIMOA 磷酸-Tau 181 (pTau-181) 血液测试获得了美国FDA的突破性器械的认定。

FDA在2021也批准了阿尔茨海默病治疗的药物，相信在2022年超低丰度蛋白标志物的检测需求会进一步加大。

在中国，Quanterix加速了本地化布局的节奏，2022新年伊始，Quanterix中国与康黎医学签署战略合作协议，双方将会借助SIMOA HD-X全自动单分子免疫阵列平台共同探索神经科学尤其是神经退行性疾病的解决方案。

与此同时国内单分子宇测生物，光与生物和彩科生物也是紧追不舍。彩科更是在21年底以1.5亿的B轮高额融资完美收官。投资机构一再加码单分子检测领域，也说明对超敏检测赛道的看好。

随着化学发光项目的白热化竞争，以及阿尔茨海默症，帕金森等神经退行性疾病的检测需求，单分子免疫诊断开辟的新战场也会吸引更多的玩家进入，期待超敏检测在不久的未来可以百花齐放！