漫談基于微流控的全自動化分子診斷儀器

發布時間：2021-06-30 10:47 原文鏈接：漫談基于微流控的全自動化分子診斷儀器

在體外診斷中，雖然分子診斷技術優勢很明顯，但是由于其步驟繁瑣，過程費時，需要專業人員操作，而且臨床分子診斷實驗室的搭建成本一般較高，所以分子診斷也價格昂貴。與此同時，由于分子診斷中樣本預處理過程復雜，往往還需要精確的溫度循環控制，導至了傳統的機械手方式一直不能很好的把整個流程自動化。而且，由于分子診斷中核酸擴增后相對較高溫度下氣溶膠的出現，污染一直是分子診斷中的一大難題。而全自動化的密閉的分子診斷產品能有效地避免這種交叉污染。

經過一些廠家的持續努力，全自動化的分子診斷產品也不斷的涌現在大家眼前。下面，我們就來聊聊全自動化的分子診斷的產品。

1. GeneXpert

產品簡介：

GeneXpert是由Cepheid公司研發的全自動分子診斷平臺。它能夠將樣品制備，核酸擴增與檢測完全整合到一個小小的檢測試劑盒中，使得即使不具備專業技術的人員也可以進行復雜的分子檢測，而且針對不同的疾病或病原菌，該公司已經開發出了功能齊全的試劑盒產品，滿足患者從常規傳染病到癌癥基因檢測的各個領域。

達成成就：

GeneXpert在全球的裝機量已超過了1.1萬臺，在美國醫院的分子診斷同類設備中，GeneXpert的裝機量占比最高，接近25%。2015年銷售額5.39億美元，年銷售額增長率穩定在20%以上。2016年9月6日，丹納赫公司宣布計劃以40億美元收購Cepheid公司。

產品特點：

1. 實現了樣品進結果出的分子診斷的全自動化，并使用試劑凍干粉預存儲技術，使得操作更為簡便。

2. 與大多數分子診斷自動化產品不同的是，這款產品是基于PCR定量分析的產品，還能滿足診斷治療中病原體載量分析的需求。

3. 有不同通量的儀器可供選擇，滿足不同通量的檢測需求。

2. FilmArray

產品簡介：

Filmarray是由BioFire公司研發的基于微流控技術的全自動分子診斷平臺。該產品采用多重PCR分析技術，對同一個樣品一次進行最多36種靶標的檢測，且只需要大約一個小時的時間，非常適合于感染性疾病的早期快速篩查。

達成成就：

BioFire在2013年9月被生物梅里埃宣布以4.5億美元收購。2016年，FilmArray銷售額達到2.6億美元，全球裝機量4000臺。

產品特點：

1. 實現了樣品進結果出的分子診斷的全自動化，并使用試劑凍干粉預存儲技術，使得操作極為簡便；使用了微流控技術，簡化了液體操控的復雜度。

2. 采用了巢式PCR技術，使用兩對引物擴增，第二對引物結合在第一次擴增的產物的內部，這樣增強了PCR擴增的特異性，降低了誤擴率。

3. 使用了多重PCR技術，可以做到一次檢測最多27種靶標，對于感染性疾病早期篩查尤為重要。

4. 組建了多機并聯檢測系統，滿足不同通量的檢測需求。

3. Atlas Genetics io

產品簡介：Atlas Genetics io是由Atlas Genetics公司研發的基于微流控技術的POCT產品，該產品主要用于性傳播疾病和醫院獲得性感染的檢測。

達成成就：

迄今為止，Atlas Genetics已經融資6300萬英鎊（約合5.58億人民幣）。值得一提的是，在2016年的12月，我國的萬孚生物以1.25億元人民幣持有了其13.63%的股權。

產品特點：

1. 微流控芯片內部跟傳統的一樣，采用的在相應腔室施加壓力來操控微流體的流動，以實現整個檢測的流程。

2. 采用了電化學檢測來取代常規的熒光檢測。其電化學檢測的原理大概為：先不對稱PCR，產生大量單鏈DNA。然后單鏈PCR產物與電化學物質的探針結合，生成雙鏈DNA。雙鏈DNA產物會被核酸外切酶消化，從而釋放出被標記的電化學物質。最終通過電壓掃描判讀結果。

3.由于采用了電化學檢測，儀器中就不需要復雜光學器件，儀器就能夠做的足夠小，同時重量上也比較輕，以實現便攜式。電化學法檢測所需要的電路器件的成本也遠低于光學器件，進一步降低了成本。

4. Cobas Liat PCR System

產品簡介：Cobas Liat PCR System是由IQuum公司研發的基于微流控技術的全自動的分子診斷POCT產品。

達成成就：

IQuum 在2014年4月被羅氏以4.5億美元收購。

產品特點：

1. 實現了樣品進結果出的分子診斷的全自動化，操作極為簡單。

2. 這個產品采用非傳統的微流控芯片結構。整個芯片類似于試管形狀，檢測管包含所有檢測試劑并已分裝入每一個獨立區段，將所有核酸檢測程序融為一體。其中包含試劑準備、樣本富集、抑制物清除、核酸洗脫及實時熒光定量檢測。分析儀通過對檢測管壓力推動，將樣本從不同區段通過，最后通過溫控進行PCR擴增，這種設計使得整個儀器更為緊湊。

3. 此產品通過擠壓PCR反應試劑在三個擁有不同溫區的腔室內來回移動來實現PCR反應所需要的溫度循環。這種以空間上的溫度循環來取代時間上的溫度循環的方式極大了縮減了PCR反應時間，從而實現了流感病毒檢測的20分鐘出結果。

5. GenMark ePlex

產品簡介： ePlex是由GenMark公司研發的基于微流控技術的全自動化的分子診斷設備。ePlex 的優勢主要是集核酸自動提取、擴增以及eSensor檢測技術為一體，實現了基因的快速檢測。ePlex系統主要是針對感染性疾病診斷市場。最初的診斷項目包括革蘭陽性和陰性菌鑒定、呼吸系統感染性疾病診斷、胃腸道感染診斷、HCV(丙肝)基因型鑒定、中樞神經系統感染診斷及真菌病原菌診斷。

達成成就：2017年全年，公司預計收入在6500萬美元至7000萬美元之間，毛利率在48-52％之間。

產品特點：

1. 使用了數字微流控技術（digital microfluidics），整個反應是以電浸潤法（EWOD）來對液滴在平面電極陣列中進行操控來實現的。

2. 采用了類似于Atlas Genetics io產品的電化學檢測來取代常規的熒光檢測。與Atlas Genetics io不同的是，非對稱擴增產生大量單鏈DNA后，單鏈DNA跟兩個探針結合。一條探針被固定在電極上，一條探針被電化學標記物標記(跟Atlas Genetics io的一樣的標記物)。單鏈DNA先一端與固定探針結合，再另一端與標記的探針結合，因為標記探針靠近了電極，從而檢測到了電信號改變。同樣的，電化學檢測使得檢測更靈敏，檢測設備更緊湊，成本也更低。

3. 單機可同時加載12個微流控芯片，有較高的檢測通量。

6. GenePOC revogene

產品簡介：revogene是由GenePOC公司研發的基于微流控技術的全自動化分子診斷設備。集成了傳染性微生物裂解，稀釋，擴增和檢測靶核酸序列的功能。在總共70分鐘的時間內，revogene能夠同時處理8個臨床樣本，每個樣本檢測多達12個遺傳目標。

達成成就：2017年6月，GenePOC GBS LB檢測及其revogene儀器獲得FDA批準。

產品特點：

1. 使用了離心微流控技術（centrifugal microfluidics），整個反應是通過離心力來操縱液體在碟片式微流控芯片上的流動來實現的。液體操縱系統更為簡單，緊湊。

2. 采用了免核酸提取法來大大簡化了樣本處理的流程，使得整個芯片設計更為簡單。該方法的基本原理是采用異硫氰酸胍鹽及表面活性劑聯合在堿性環境裂解細胞或病毒樣本材料，BSA和明膠保護穩定核酸的同時進一步加熱條件使蛋白及抑制物凝聚沉淀，完全釋放核酸到溶液中。值得一提的是，國內的卡尤迪，圣湘生物，一立科技等都有在推廣類似的免核酸提取法。但是這種方法目前使用在病毒檢測上更多見一些，某些細菌并不適用。而且在蛋白及抑制物凝聚沉淀過程中的相對高溫的加熱也限制了這種方法的推廣。

7. 博暉創新微流控全自動核酸檢測系統

產品簡介：北京博暉創新光電技術股份有限公司在微流控平臺上實現了基于PCR的全自動的分子診斷。該系統實現了單芯片4樣本，單機6芯片的較高通量的分子診斷。

達成成就：其核酸芯片檢測儀與人乳頭瘤病毒核酸檢測試劑盒（生物芯片法）先后獲得CFDA認證。

產品特點：

1. 完全打破了微流控技術局限于POCT的一般概念，使用了機械手臂加樣，微流控芯片實現樣本處理，PCR，斑點雜交等過程的混合模式來實現相對較高通量（一次24樣本）的分子診斷。

2. 采用全液體試劑，針對我國國情，進一步降低單次HPV分型的成本。

結語：縱觀比較典型的自動化分子診斷儀器，我們可以看到，其最主要的技術平臺還是微流控技術（以上7種產品，嚴格意義上均是依賴于微流控技術來實現的，包括GeneXpert）。

那么全自動化分子診斷產品群雄逐鹿，誰將真正勝出？我們拭目以待。