在如今的医疗领域，即时、准确的疾病检测对于有效防控疾病传播和及时救治患者至关重要，尤其是在偏远或资源有限的地区，传统检测方法往往存在着诸多限制，如检测时间冗长、设备昂贵且操作复杂等问题，难以满足实际需求，因此，我们迫切需要开发一种操作简单、检测快速、价格合理、灵敏度和特异性高的疾病监测方法。
环介导等温扩增（loop mediated isothermal amplification,LAMP）因其反应快速、特异高、设备简单易操作、结果易于鉴定等优点，已经应用于病原菌、寄生虫、病毒、疾病和转基因产品检测等领域。
但将其应用于即时检测（POTC）时，仍有可改进的地方。为了提高用户友好性，需要简化样品处理和检测程序、尽量减少诸如核酸提取和多重采样等复杂操作。
近日，哈尔滨工业大学任玉坤、哈尔滨医科大学周海舟等在 Science Advances 上发表的研究成果，为解决这一难题带来了新的思路。相关文章题为“Compact highly sensitive photothermal RT-LAMP chip for simultaneous multidisease detection”。
研究团队成功研制出一种紧凑且高灵敏度的光热逆转录酶-环介导等温扩增（RT-LAMP）芯片（SPRC），该芯片在实现多种疾病快速、灵敏检测的同时，有效降低了检测成本，为即时检验技术的发展提供了重要突破，将进一步改善疾病诊断现状。通过 120 个临床样本，SPRC 的准确率达到 95%，特异性超过 97.5%。
图｜灵敏光热 RT-LAMP 芯片（SPRC）示意图及工作原理
这种设计紧密精巧的 SPRC 芯片，工作原理主要是基于光热驱动的核酸扩增和检测技术。首先，当受试人员的样本被加入加样槽后，在自然重力或轻微外力的推动下，溶液开始在芯片内流动，并进入导流层，导流层的设计可将将样本溶液均匀地送往各个反应室，确保每个反应室都能获取等量且特性一致的样本，随后样本进入过滤层，聚醚砜（PES）膜可利用凭借特定孔径过滤样本中细胞碎片、蛋白质等杂质。
初步过滤后，Fusion5 滤纸层可通过静电作用进一步实现核酸的富集。通过手动旋转加样槽等操作，使富集了核酸的 Fusion5 滤纸移动至反应室上方对应位置。此时启动光热加热系统，利用 LED 照射或聚焦太阳光，光子作用于图案化镀金玻璃，可以激发局部表面等离子体共振，产生热电子，实现高效光热转换，从而使反应室迅速升温至适宜核酸扩增的温度（如 65 ℃）。
值得一提的是，由于该芯片可利用自然光线作为能量源驱动核酸扩增反应而无需外部电源或电池，进一步降低了设备使用成本，更有利于其应用于资源匮乏地区的疾病诊断。
图｜SPRC 芯片可利用阳光驱动
最终，在 SPRC 芯片的反应室内，预先添加的反应试剂（包含引物、酶、缓冲液等）将与洗脱下来的核酸共同作用，启动环介导等温扩增（LAMP）反应，可实现样本核酸的快速扩增。为了监测反应进程，反应体系中还添加了特定的荧光指示剂（如 SYTO - 82）。扩增产物与荧光指示剂结合，导致荧光信号发生变化，通过检测反应室中的荧光信号强度，与预设阈值进行对比，即可判断样本中是否含有目标核酸，实现对疾病的检测诊断。
在临床实用性评估中，SPRC 芯片表现十分突出。研究团队采集了丰富的临床样本，包括 80 份血清样本以及 40 份鼻咽拭子样本（其中 20 例为 ADV 患者，20 例为 COVID - 19 患者），共计 120 个临床样本，以确保实验结果具有广泛的代表性。
在检测过程中，SPRC 芯片显示出了极高的检测效率，它能够在同一芯片上对不同呼吸道感染疾病相关核酸进行同时检测，大大节约了时间成本。
图｜SPRC 可测试血清样本准确诊断各种疾病
在 80 份血清样本中，SPRC 芯片成功诊断出了 76 份样本的疾病，诊断准确率高达 95%，特异性达到 98.75%。同时，芯片检测的荧光强度与传统 RT - PCR 的循环阈值（Ct）呈现出强烈的正相关性，这表明 SPRC 芯片在多病联检方面具有出色的性能。
在鼻咽拭子样本检测中，对于 ADV 样本，芯片也成功检测出了所有 20 例阳性样本和 20 例阴性样本，且阳性样本的荧光强度显著高于阴性样本，表明芯片能够清晰地区分阳性和阴性结果。对于 COVID - 19 样本，芯片也能可靠的检测出了 18 例患者，总体而言，SPRC 芯片在鼻咽拭子样本检测中的诊断准确率也表现良好。
总而言之，SPRC 芯片在技术上实现了多项创新，如能够高效的进行光热转换、优化样本处理和精准的温度控制，在实际应用中，SPRC 芯片与设备相结合，可在 30 分钟内完成检测，大幅缩短了检测时间，为疾病的快速诊断和及时治疗提供了可能。在临床应用中上，不但能够同时检测多种疾病，且具有高灵敏度、高特异性和低成本的优势。
相信未来，随着技术的不断完善和推广，SPRC 芯片有望在全球范围内更加广泛的应用于疾病诊断，从而令我们更快、更准确的发现疾病，并尽早进行治疗干预。
参考文献：
1、Wenshang Guo et al.Compact highly sensitive photothermal RT-LAMP chip for simultaneous multidisease detection.Sci. Adv.10,eadq2899(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq2899