發布日期：2022-07-14 點擊率：71
以片上DNA(lab-on-chip)實驗室形式的微電子機械系統,或者MEMS技術,開始在微生物樣本快速分析的儀器中扮演越來越重要的角色。系統的片上實驗室組件集成了電子、機械和生物單元,并采用微流體技術來改善鑒定速度、便利性、以及實現重要臨床診斷的經濟性。
由于采用IC技術,MEMS技術具有非常大吸引力,因為可以利用精確控制的工藝,實現器件的大批量并行且精確的重復生產；這種工藝技術與生產硅芯片所開發出來的技術是相同的。事實上,今天面向系統的微電子技術使得能夠一個芯片上集成包括機械傳感器和接口電路的整個系統。
在ST公司,MEMS技術被利用來比較DNA樣本,以發現病原體,并快速、簡單并且低成本地進行其他的臨床診斷。這種技術可用于其他領域中的很多應用,包括獸醫、食品控制和生物預防。而目前這樣的分析只能在分子生物實驗室和診斷中心進行,實現成本很高,并且需要大量的設備。
這種新方法的核心是基于MEMS的一次使用的盒子(cartridge),它作為片上DNA實驗室。使用最初為噴墨打印機開發的微流體技術,稱為In-Check的盒子,其包含一系列置于硅片中的微反應室。在分析期間,通道被一種未知的DNA樣本和DNA原生引物(primer)所填充,它通過一種稱為聚合酶鏈反應(PCR)的工藝用來將樣本生長,或 “放大”到一個可以使用的數量。PCR工藝能從一個包含少量DNA片段的小樣本開始,將片段復制成數百萬個相同的片段。與現在的方法相比,這種方法具有非常大的優勢,現在的方法通常需要很大的樣本數,而采集和提取這樣大的樣本量需要很高的成本。
對于PCR工藝來說,很重要的是利用內置到硅片中的電子加熱單元,它對通道加熱,在三個精確的溫度之間對DNA混合物進行循環加熱。然后,放大的DNA樣本被移交到生物芯片的檢測區,它包括已知——而且可能匹配的DNA片段。通過用一個激光燈照射電極可以發現DNA的匹配,可以觀察到它們發出熒光。(為進一步使工藝自動化,還重新評估了電化學機制,而不是光檢測機制)。便攜式光讀取器連接到一臺電腦,在幾秒鐘的時間內就能分析出微陣列(幾個獨特DNA序列的微型化陣列)。
每次測試都使用同一芯片,這種測試的運行通常不到一小時,因為ST的In-Check平臺使用一種微陣列,每個測試可以評估多個不同的DNA片段,具有高度的可再生測試結果。桌面溫度控制系統可以支持最多5個盒子。In-Check的靈敏度取決于應用、DNA片段的長度以及樣本準備方法。
所有的化學反應都發生在生物芯片上,因為裝它的盒子是一次性的,因此這種方法與傳統的儀器相比,不易于出現交叉感染的風險。同樣,因為系統使用非常少的高成本化學試劑,因此其成本并不是很高。除了芯片裝載的盒子,系統還采用了一套儀器,其中包括控制器和指導操作人員通過幾個關鍵步驟的閱讀器。
就測試結果的精度和速度來說,與傳統的診斷方法相比,生物芯片表現出了很重要的好處。利用生物芯片,只需要幾分鐘就可以得到結果,而不是幾個小時甚至若干天,而某些時候,傳統的病毒培育方法可能需要大約一周的時間才能獲得有用的結果。生物芯片可以達到的精度也比傳統的方法高,對于醫藥應用來說,相關的某些積極意義如醫生將能及時地開處方,并進行針對性的治療。就疾病傳播抑制來說,其意義更加重大。
一個實例是,來自Mobidiag的診斷設備,新的片上實驗室可以對于膿血癥引起的病毒進行基于DNA的檢測,它運行在ST 的In-Check平臺上。In-Check平臺利用病原體板來識別十個膿血癥引起的病原體,以及來自陽性血液培養樣本的抗甲氧苯青霉素的葡萄狀球菌aureus。診斷分析或化驗被用于優化抗生素治療,結合革蘭氏染色法的結果,即一種區分病毒種類的完全根據經驗比較的方法。這樣一來,高準確性和快速的結果將減少抗生素的濫用風險,幫助醫生盡可能早地選擇正確的治療方法。目前正在進行臨床實驗,而最終的產品包括經認證的控制、化驗優化和診斷報告軟件將后續發布。
ST還與Veredus實驗室合作開發快速的需求點診斷功能,將使衛生工作者快速發現禽流感病毒類別以及其他的流感類別。使用ST的IN-Check平臺,Veredus正在開發一種專門用于辨別一個病人是感染了H5N1禽流感病毒,還是A或B型流感,只需要一個測試,而不會像現在那樣需要若干次測試。
作者:Stefano Lo Priore
MEMS業務部門
ST公司
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