分子POCT研发之前要思考哪些东西？

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这是小钱的第 216次学习分享




今天分享的话题是：分子POCT；核酸POCT；微流控POCT；核酸检测一体化
前言

分子POCT目前是很火热的赛道，这次CACLP参展的核酸POCT的公司也蛮多的，小钱在上篇分享文中总结了本次CACLP参展的公司中和微流控相关的公司，本篇小钱想简单分享下，研发一款核酸检测POCT产品之前需要了解哪些基础的常识？
核酸检测一体化POCT系统主要分为：样本前处理模块，微流控芯片或POCT卡盒的设计和制造，仪器整机结构设计。
如果只花十分钟的时间，我们能快速思考什么东西，对我们研发一款定制化的核酸检测一体化POCT系统具备筑基的意义呢？本文将从样本处理，微流控芯片设计和制造，整机结构设计这三个方面，快速的带大家学习如何研发一款核酸检测一体化POCT系统。


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1. 样本前处理
1）裂解和纯化
样本处理包括：样本的裂解和和核酸分子的纯化。核酸提取的第一步是样品裂解，释放核酸，该过程目的主要是将细胞或病毒中的核酸分子与其它生物大分子，如蛋白质，脂质，多糖链等。主要通过机械破坏、化学作用、霉催化反应三种方法的一种或组合实现，这三种方法的对比如图1所示。



图1：样品裂解方法对比
由以上介绍可知通过裂解之后的样品往往包含多种物质，为了得到不含杂质的核酸，还需要进行纯化处理，常见的纯化方法主要有酚氯仿法、盐析法、玻璃珠法、离心柱法、磁珠法，这些方法的对比如图2 所示。






图2：核酸提纯方法对比
2）芯片内的流体驱动和控制
作者调查了国外十多家公司的核酸检测一体化系统的专利等信息，如美国 Cepheid 公司的GeneXpert 系统，德国 QIAGEN 公司的 QIAStat-Dx 系统等，对比了这些产品在流体驱动，样品前处理方面的异同，如图3 商用核酸检测一体化系统前处理方法对比[1]。






图3：商用核酸检测一体化系统前处理方法对比[1]
根据以上各种裂解和提纯方法的对比可以得知，各种方法均有其优缺点，对于一体化的集成设备，必须权衡方便性、成本、效率、集成后的制造难度等多方面因素进行综合考虑并采取折中方案。


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2. 微流控芯片或POCT卡盒的设计和制造
1）设计
微流控芯片是整个一体化设备的核心组件，需要先确定检测芯片的设计方案，然后根据芯片的结构，流体的驱动、控制方法以及反应过程所需的生化条件和物理条件等设计整个仪器。
芯片通道一般包括三种反应池，分别为裂解池，洗涤池和检测池。
研发时需要根据系统的核酸提纯的原理和方法学的差异，具体设计定制化的核酸检测一体化微流控系统。
如果为了实现在一个反应体系内检测多种病原菌的核酸，传统试剂盒的方法是采用多重 PCR 技术，但是这种扩增技术需要在一个反应体系中添加多种不同扩增引物，扩增过程中可能会出现相互抑制的情况。因此为了提高检测的准确性以及设备在每次运行过程中检测多种病原菌核酸，微流控芯片可以设计出多条通道并行的方式实现物理意义上的多重PCR。
2）制造
微流控芯片的制造主要考虑两方面的问题：（1）材料的选择；（2）加工方法。微流控芯片的材料，常见的微流控芯片材料主要有三类：（1）有机玻璃（如石英、玻璃等），利用光刻和蚀刻技术加工生产，成本高且量产困难；（2）有机高分子材料，根据其物理特性分为热固性塑料，热塑性塑料和弹性塑料三种，能量产的材料主要是热塑性材料，一般都是注塑成型法制造；（3）纸质材料，但是纸基材料无法承载复杂的流体设计需求。


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3. 仪器整机结构设计
为了高效，快速地完成各个反应过程，构建了以检测芯片为核心的各个组件，首先需要对实验需求进行分析转化为仪器功能，如图 4 所示，是一款基于磁珠法实现提取的微流控芯片系统，根据芯片上的实验需求对仪器功能进行了分析，基于此设计了一体化卡盒组件，试剂释放组件，主驱动组件，温度控制组件，永磁体阵列组件，荧光检测组件。如图 5 所示，为该仪器的控制原理示意图，控制系统部分由项目合作方完成。



图4：仪器功能结构分析图



图 5 系统控制原理图



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参考
[1]杭跃航. 核酸检测一体化微流控系统的前处理关键技术研究[D].郑州大学,2021.DOI:10.27466/d.cnki.gzzdu.2021.003703.
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