天津大学与哈佛大学合作研发家用型快速新冠抗原微流控检测装置

近日，天津大学药学院张雁教授与美国哈佛大学等科研机构合作在国际顶级期刊Small发表题为“Handheld microfluidic filtration platform enables rapid, low-cost and robust self-testing of SARS-CoV-2 virus”《手持式微流控平台实现快速、低成本、高效的自主检测新冠病毒》的论文。这支国际化的研究团队发明了一种不需要任何电子、光学器件设备和操作技能培训的家用新冠自测系统。该系统最快可以在5分钟内得到检测结果，并以直观的显色对比提供肉眼可见的结果，单片微流控芯片还可以反复使用50次以上，极大降低了检测成本，非常适合普通家庭和个人检测使用。该检测技术在长达8个月的临床追踪测试中对于早期普通新冠病毒和变异株都保持了极高的准确率，避免了大规模核酸采样造成的病毒传播风险，并可进一步调整适用于如流感等呼吸道传染病的快速自我检测。

一场突如其来的新冠肺炎疫情席卷了全球，将近两年的时间，疫情在全球很多国家并未得到有效控制，更具感染力的突变病毒还有逃避疫苗防疫的可能，再次显示人类抗疫斗争的长期性和常态化。新冠检测始终是抗疫的重要一环。而核酸检测需要专业设备和人员操作，耗时、耗力，经济和社会成本昂贵。目前在防疫措施严格，实行新冠零容忍政策的我国核酸检测仍为行之有效的措施，但同时也给社会造成沉重的负担，给人们的生活带来不便。据张雁教授介绍：“各国科学家都在寻找能够更高效和低成本的检测手段，我们的检测方法除了在这些方面有显著优势，核酸检测特别是全民检测使得待测人群可能暴露在易感染环境中。我们的家用微流控检测平台非常适合人们待在家中进行大规模筛查，避免了因核酸采样、人员流动和聚集造成的病毒传播，也可以避免医务和专业检测人员的超负荷工作。”

目前，利用肉眼分辨显色的传统胶体金试纸条方法因为上样量有限，无法对病毒抗原进行扩增，最终导致检测的灵敏度较低。另一方面，其他常规的实时荧光定量PCR核酸检测还有依赖DNA扩增的恒温检测都需要专业人员操作以及专业仪器设备，包括许多基于特异性抗体的新冠抗原检测方法也需要使用荧光标记来保证检测的准确率。鉴于此，研究团队创新性地使用了微流控芯片代替了毛细管层析试纸条，上样量相比于传统的试纸条提高了数十倍，规避了使用胶体金的常规方法对于低病毒载量样品容易漏检的风险。同时，微流控芯片内部特有的过滤富集通道可以将微量的抗原-抗体结合物进行定向集中，实现了显色增强，无需辅助读数设备即可进行肉眼识别。论文的第一作者兼通讯作者徐江博士解释说：“传统的抗原显色检测方法对于低浓度的病毒样本的变色不够敏感，打个比方来说，相当于把一滴墨水滴到一桶清水里，它的墨色会很淡，不容易看出来，而我们的高通量微流控芯片可以把一桶清水快速过滤掉，然后把这一滴分散的墨水又集中在一起，这样我们很容易就能用肉眼看到结果，从而大大地提高了结果的准确率。”据张雁教授进一步介绍，论文投稿后，经过进一步的技术迭代，即便病毒载量只有十数个拷贝/mL的弱阳样品，用该方法也能很容易地检测到。该检测芯片，使用了两种由不同抗体修饰的微米球和纳米球，颜色分别是白色和红色，当样本中没有病毒抗原时，红色纳米球可以快速被具有特定截留孔径的栅栏过滤，使得检测窗呈现微米球的白色，而当新冠病毒存在时，微米球和纳米球通过表面的抗体在病毒抗原介导下形成复合物，红色纳米球对白色微米球实现表面覆盖，从而使检测窗显示肉眼可见的红色。由于芯片设计了逆流功能，完成检测后，在生理盐水或清水的冲洗下微球可以从原路返回，清空检测窗，从而可以反复数十次乃至上百次地使用。研究团队还为了普通用户的使用进行了实用性验证，发现了在不同的操作方法（手动加样速度）、操作条件（温度、照明）、操作时间（5分钟-120分钟）下该检测系统都体现出了优秀的鲁棒性和准确率。在用户超过100例的双盲临床检验中，测试用户均为未经任何专业技术培训的人员，最终取得了对于普通新冠病毒和Delta变异毒株分别高达95.4%和100%的检测准确率。论文的共同第一作者、联合通讯作者劳滔滔博士表示这一技术还具有极高的普适性应用潜力，可以根据不同抗原检测需求、用户体验（例如是否有色盲）还有检测场景来定制个性化的医疗检测工具，并得到快速准确的结果。

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该项研究已获得美国国家卫生院（NIH）2项研究基金，累计超过一百万美元的支持（funding rate<1%），美国加利佛尼亚州上市公司Fulgent genetics提供了额外的资金支持以及临床样品，合作团队包括哈佛大学、天津大学、加拿大麦吉尔大学、美国波士顿分子公司（Boston Molecules Inc.）的科学家。论文的第一作者和通讯作者是哈佛大学的徐江博士，目前徐江博士已入职加拿大Virogin生物科技有限公司，担任高级科学家与国药集团合作，负责国产mRNA新冠疫苗与肿瘤疫苗的递送系统研发。论文联合通讯作者劳滔滔博士，任职哈佛大学，同时是波士顿分子公司的创始人和首席科学家。论文的联合通讯作者张雁教授是天津大学药学院教授、国家杰出青年科学基金获得者，也是波士顿分子公司的联合创始人。此外论文共同作者还有哈佛大学的索文昊博士，Johan Paulsson教授，Youlian Goulev博士，孙磊博士，加拿大麦吉尔大学的Liam Kerr等，波士顿分子公司已申请该项技术专利。全球疫情凸显了人类命运是一个共同体，此次多国科学家共同攻关的技术知识产权方希望该项技术能应用在各国的抗疫前线，并积极寻找中国的合作方。