新型晶元實驗室平台：可快速檢測多種傳染病病原體！

導讀

最近，美國伊利諾伊大學香檳分校和華盛頓大學塔科馬分校的科研人員組成的多學科小組開發出一種新型醫療診斷平台，它使用智能手機作為探測儀，配合一個信用卡格式的測試包，對於傳染病進行即時診斷。

關鍵字

醫療電子、晶元實驗室、智能手機、物聯網

背景

對於人類的死亡和殘疾來說，傳染性疾病仍舊是「全球頂級貢獻者」。舉例來說，2015年寨卡病毒成為國際關注的熱點。有證據顯示，寨卡病毒可能與影響巴西的流行病以及新生兒的小頭畸形率增加相關。寨卡病毒已經演變成廣泛的全球性問題。世界衛生組織（WHO）去年的文件記錄顯示，從2016年6月起，60個國家和地區報告了持續的蚊媒傳播。

（圖片來源: taciophilip/Depositphotos）

目前對於寨卡、登革熱、基孔肯亞熱等蚊媒病毒的檢測需要在醫院的化驗室進行，患者需要等上幾天才能拿到結果。檢測使用的儀器設備，體積差不多和微波爐一般，成本高達2萬美金。寨卡等病毒大多數流行於醫療條件落後的發展中國家，在這些國家的小型診所內，進行快速有效的病毒檢測顯得很不現實。

此外，寨卡病毒與登革熱、基孔肯亞熱的癥狀相似，所以需要精準的診斷區分這些感染，從而確定是否有必要進行積極治療或者隔離。因此，更加需要一種簡單、靈敏、易轉換的定點照護測試方案。

為此，筆者之前介紹過美國聖地亞國家實驗室開發的一種基於智能手機攜帶型診斷平台，它由智能手機控制，通過電池供電，重量不到1磅，成本低至100美元，檢測寨卡等蚊媒病毒的時間在30分鐘之內。

（圖片來源: 美國聖地亞國家實驗室）

創新

今天，我要給大家介紹的是一種類似的傳染病病原體快速診斷平台。最近，美國伊利諾伊大學香檳分校和華盛頓大學塔科馬分校的科研人員組成的多學科小組開發了一種新型平台，它使用智能手機作為探測儀，配合一個信用卡格樣式的測試包，對於傳染病進行定點照護式的即時診斷。

（圖片來源: 伊利諾伊大學香檳分校微納米技術實驗室）

該小組由伊利諾伊大學電氣和計算機工程系教授 Brian T. Cunningham、伊利諾伊大學生物工程系教授 Rashid Bashir、華盛頓大學塔科馬分校教授 David L. Hirschberg（他隸屬於跨學科藝術和科學學院科學和數學系）領導。項目的合作者包括肯塔基州的一名私人執業的馬專家和獸醫 David Nash 博士以及美國國家超級計算應用中心的計算機科學家 Ian Brooks 博士。

相關研究論文發表於《分析化學》（Analytical Chemistry）雜誌，演示了該系統用於四種馬的呼吸道疾病檢測。另一篇相關論文發表於《生物醫學微型設備》（Biomedical Microdevices），演示了該系統用於檢測和量化一滴全血中的寨卡、登革熱、基孔肯亞病毒。

技術

出於研究需要，馬被用作研究人類和食用動物中呼吸疾病的動物模型。David Nash 表示：

「通常，你可以先從動物的角度出發開發診斷工具，從而更加容易地開發用於人類的診斷工具。許多疾病首先在動物身上顯現，就像礦井中的金絲雀。」

項目的關鍵貢獻者 Nash 博士評論馬的傳染病疫情對於經濟的影響：

「對於養馬的人來說，這是非常費錢的，而且它破壞了馬術運動的商業運作。例如，在2016年12月25日，新奧爾良「公平賽馬場」（Fair
Grounds Race
Course）馬廄中的一匹馬出現發熱，隨後出現神經癥狀。而國家診斷實驗室在100英里之外，且正處於聖誕節假期。最終的後果就是：馬1型皰疹病毒（EHV-1）爆發，導致賽馬場隔離了200匹馬，對於馬主和賽馬場業主（
Churchill Downs, Inc.）都造成了嚴重經濟損失。後果可想而知，由於疾病爆發，他們不得不推遲肯塔基賽馬大會。」

人類定點照護（POC）診斷或者移動獸醫實驗室的功用之一就是：通過單一測試協議，同時檢測多個病原體，降低成本，節約時間和精力，且分辨出引起相似癥狀的一組病原體。

有了這項技術，臨床醫生可以在辦公室或者現場迅速診斷疾病，從而更早、更明智地進行病人管理決策，顯著改善疾病暴發的管控。在病人身邊廣泛採用定點照護測試的先決條件之一就是：檢測儀器廉價、便攜、且能夠通過網路無線分享數據。

該系統採用商用智能手機獲取並解釋發生在硅微流控晶元中的酶促擴增反應的實時圖像。這種硅微流控晶元會生成綠色熒光，並顯示出該測試的可視讀數。系統由普通的智能手機和攜帶型3D列印支架構成，支架用於支撐光學和電氣元件，並且成為智能手機後置攝像頭的介面。

智能手機上運行的軟體應用收集了相關測試信息。這些測試在微流控卡上進行，病人的特殊信息和化驗結果則被傳輸至雲存儲資料庫。

（圖片來源: 伊利諾伊大學香檳分校微納米技術實驗室）

價值

這種低成本、攜帶型、集成智能手機的系統提供了一種極有前途的解決方案，它可以應對傳染性疾病診斷的相關挑戰，特別是在條件有限的地區或者需要立即獲取結果的情況下。該診斷工具集成了移動通信技術，從而開啟了個性化的病人照護，並促進了衛生保健提供者和流行病學監測工作的信息管理。重要的是，比起那些基於實驗室的方法和儀器，該系統達到了檢測極限，差不多30分鐘出結果。

Nash 博士表示：

「這個項目是遊戲規則的改變者。它是醫學授權的一線醫護人員的未來。我們不能阻止病毒和細菌，但是我們能夠更加快速地診斷。在項目提案階段，我們展示出該項目對於人類和動物具有明顯的益處，後來我們的結果證明了我們的假設。下一步，我們想要進入現場、多個站點、多個地理位置，以及測試真實世界的情況。」

伊利諾伊大學的研究生和研究助理 Fu Sun 將這個項目作為她職業的主要目標之一：

「我進入研究生院，希望通過研發促進疾病預防、診斷或者治療的生物醫學設備，創造出一個更好的世界。這個項目符合我的目標，因為它提供了一種定點照護的解決方案，可用於快速診斷傳染病。通過智能手機與雲資料庫相連接，現場的醫療服務人員將能夠擁抱大數據和物聯網的新時代。」

參考資料

【1】https://mntl.illinois.edu/news/article/23759

【2】http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.7b02478

【3】https://link.springer.com/article/10.1007/s10544-017-0209-9

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