原创 用微流体诊断冠状病毒(SARS-CoV2)

2023-1-28 16:27 236 0 分类: 医疗电子

用微流体诊断冠状病毒(SARS-CoV2)

  

冠状病毒SARS-Cov2的形态特征。图片来源:美国疾病控制与预防中心

 

冠状病毒(新冠肺炎)信息简而言之:
新冠肺炎冠状病毒是一种传染病,可导致严重疾病,特别是对老年人和有潜在医疗问题的人。
我们知道病毒的基因序列,以及它的形态和传播机制。
微流体用于传染病建模和治疗,也可以应用于新冠肺炎

 

1. 简介:诊断冠状病毒

冠状病毒病(新冠肺炎)是一种传染病,在大多数人中会导致轻到中度的呼吸道疾病。它会导致老年人以及那些有心血管疾病、糖尿病、慢性呼吸系统疾病和癌症等潜在医疗问题的人患上严重疾病。防止这种冠状病毒传播的最好方法是了解其传播方式,并采取正确的预防措施。
由于冠状病毒主要通过唾液传播,或者当感染者咳嗽或打喷嚏时从鼻子分泌,因此遵守严格的呼吸礼仪(例如,对着弯曲的肘部咳嗽)很重要,并通过洗手或频繁使用含酒精的摩擦来保护自己和他人免受感染,不要接触你的脸。目前,还没有针对冠状病毒感染的特定疫苗或治疗方法,但几项临床试验正在进行中。冠状病毒感染是根据病毒的基因组序列、其形态和疾病的特定症状来诊断的。通过结合微流控技术,传统的基于生物化学的检测可以更快地进行,需要的样本量更少。未来,可以使用人体细胞和组织在体外模拟感染,甚至可以通过微流体复制相连的器官系统。

2. 冠状病毒诊断工具

根据中国的小型,在武汉的一个海鲜和动物性食品市场出现首例肺炎病例群后,几个研究小组着手找出病因。
最终,来自不同患者的病毒基因组草稿序列被存放在GenBank序列库和关于共享所有流感数据的全球倡议(GISAID)数据库中。冠状病毒基因组序列与在蝙蝠中发现的一种已知的类似SARS的冠状病毒有85%以上的序列相似性。研究表明,该病毒使用血管紧张素转换酶II(ACE2)进入宿主细胞,SARS-CoV也是如此,在之前的疫情中感染了8096人,造成774人死亡。由于冠状病毒基因组已为科学界所知,第一批诊断测试的重点是聚合酶链式反应(PCR)序列特异性引物的使用。这些测试是在以前用于检测以前SARS-CoV爆发的技术的基础上迅速发展起来的。在没有商业测试的情况下,研究中心进行了初步开发后,公司开始将冠状病毒测试商业化,以便快速提供冠状病毒测试。

 

首先,柏林查里特大学医院的克里斯蒂安·德罗斯滕的实验室开发了一种实时聚合酶链式反应(RT-PCR)诊断测试,它构成了25万套试剂盒的基础。在过去的几周里,世界卫生组织(WHO)将他们派往全球159个实验室。与此同时,香港大学的朱等人根据GenBank中保存的第一个序列,开发了两种针对病毒基因组开放阅读框架1b(ORF1b)和N区的一步定量RT-RT-PCR检测方法。
除了实验室检测,几家公司已经开始开发商业规模的冠状病毒检测测试(例如,华大基因集团,中国;阿尔托纳诊断公司,德国)。
除了传统的基于聚合酶链式反应的检测外,一些公司,如美国的IDbyDNA,更喜欢使用元基因组学进行冠状病毒检测-通过测序进行实时监测。虽然这种方法比聚合酶链式反应检测更昂贵,但它承诺实时监测循环中的内容,从而在病毒基因组进化时迅速更新。对遗传变异的监测还可以提供有关系统发育关系的信息,并有助于跟踪疫情的爆发。

3. 利用微流控技术检测冠状病毒

聚合酶链式反应。
如上所述,目前大多数冠状病毒检测都是基于聚合酶链式反应和实时聚合酶链式反应。设计了与新型新冠肺炎冠状病毒及其密切相关病毒如SARS冠状病毒的核糖核酸反应的引物和探针组。聚合酶链式反应产物具有特定的大小,可通过荧光信号发射(RT-PCR)或经典电泳法进行检测。与微流控相结合,可以加速聚合酶链式反应,更快地(从大约1小时到不到10分钟)获得诊断测试结果,并具有更高的准确性。
要想获得更多洞察力,你可以去看看Elvesys的衍生公司BeforCure。BeforCure开发了一种超高速片上聚合酶链式反应系统(基于Fastgen技术),可以在不到30分钟的时间内检测出SARS-CoV2等病原体。

聚合酶链式反应原理

 

DNA测序
芯片上的DNA测序利用了DNA与其互补序列结合的事实。
该方法使用目标DNA与之结合的固定化寡核苷酸探针。数千个已知序列的短DNA片段(寡核苷酸)在预先指定的位置结合到玻璃或硅表面。与未知序列的荧光标记的目标DNA孵育将导致该DNA与一组寡核苷酸探针结合,这可以通过它们的颜色变化(荧光)来识别。通过将这些信息传递给计算机来推断目标DNA的序列,并且根据与目标结合的寡核苷酸模式来重构目标序列[7]。微流控套式聚合酶链式反应和MiSeq测序能够有效地跟踪多种RNA病毒(包括冠状病毒)在不同环境中的命运。它具有很高的灵敏度(检测下限在cDNA样本中从10^0到10^3个副本/μL),对于更好地了解人类致病核糖核酸病毒的循环是必不可少的。因此,DNA的微流控分析可用于发展冠状病毒检测,并提供有关感染率和感染来源的信息。

 微流控DNA测序

 

酶联免疫吸附试验
酶联免疫吸附试验(ELISA法)是一种酶免疫分析方法,利用针对待测蛋白质的抗体来检测液体样本中是否存在配体。由于其高度的特异性和重复性,该方法被广泛应用于医学诊断和基础生物学研究中。传统的酶联免疫吸附试验检测时间长(4-6小时),操作繁琐,样品/试剂体积大(∼为100μl),大大限制了其在临床快速诊断中的应用。

微流控辅助酶联免疫吸附试验可以克服这些缺点。当免疫分析在反应室(微流体通道)的表面上进行时,微通道内的毛细管力将试剂吸引到反应室中,并且有助于分析孵化。因此,样品体积可以减少20倍,从而总体节省5-10倍的试剂。
此外,分析时间可以减少50%以上,从而通过节省人工成本来降低总体成本。随着越来越多关于冠状病毒的信息可用,通过酶联免疫吸附试验检测冠状病毒成为可能。几家公司已经开始开发基于冠状病毒表达的蛋白质的诊断试剂盒(例如Biocell Biotech Co.)。

酶联免疫吸附试验检测原理

 

4. 用微流控技术模拟冠状病毒病
为了了解冠状病毒的感染途径并开发治疗方法,科学家目前必须使用经典的生化分析、2D细胞培养、动物模型和艰苦的临床研究。这个过程通常需要很长时间才能完成,在此过程中,动物会失去生命,而且这个过程往往无法预测人类的反应,因为动物模型并不总是正确地模拟人类的病理生理。需要新的替代方法来模拟冠状病毒的体外感染,以允许新药的快速开发

微流控技术可以在微尺度上重建复杂的细胞相互作用。通过组织工程和芯片器官技术的发展,可以重现3D结构、多细胞复杂性和生理上相关的生化作用力。组织工程学研究冠状病毒传染病的一个主要挑战是重建细胞微环境,包括生物、化学和物理线索。最近,微流控装置已成功地用于基于细胞的病毒分析。发展微流控组织工程可以帮助了解冠状病毒的进入策略,感染是如何在人类细胞中持续存在的,这可能会加速新型抗病毒药物的发现。

5. 冠状病毒诊断和微流体学摘要

鉴于冠状病毒的感染率很高,开发快速诊断工具对于快速识别和治疗感染患者至关重要。微流体可以用来改进现有的诊断工具,使它们更准确、更高效、成本更低。此外,微流控组织工程可以用来破译病毒进入的策略,并帮助开发活性药物。

文章来源:www.whchip.com,转载请注明出处。

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