一种集成的微流控生物芯片可短时间内快速检测隐球菌并区分其两种亚型

摘要：快速、准确地检测隐球菌，准确区分其亚型，对保护人群免受隐球菌疾病的侵害，防止其在人群中传播具有重要意义。然而，传统的隐球菌鉴定和检测技术在实现高分析速度和高灵敏度方面仍然面临重大挑战。在这项工作中，作者报道了一种电微流控生物芯片。与传统方法需要几个小时甚至一天的时间相比，该芯片可以在20分钟内检测到隐球菌，并在1小时内达到最大检测极限，能够高效区分新型隐球菌(NEO)和罕见的加蒂隐球菌(GAT)，准确率接近100%。该装置集成了两个功能区:用于快速细胞裂解(<30 s)的电穿孔裂解(EL)区和用于对释放的核酸进行敏感分析的电化学检测(ED)区。EL区采用了微电极阵列设计，在微通道的收缩处获得了大的电场强度，解决了与高压裂解相关的安全问题。该装置通过纳米复合材料和特定探针的修饰，使NEO的检测限(LOD)为60 pg/mL, GAT的检测限(LOD)为100 pg/mL。在检测时间和灵敏度方面，集成微流控生物芯片在隐球菌的诊断和疾病预防方面具有广阔的潜力。

图1. 隐球菌核酸序列差异及电微流控芯片工作原理。

图2. 用实际样品对微芯片进行性能测试。

本研究设计的微流控芯片在快速检测难以裂解的细胞（如难以裂解的隐球菌细胞）方面具有以下优势：

1）快速：能够在20分钟内检测隐球菌，并在1小时内达到最大检测限度，相比传统方法大大缩短了检测时间。

2）高效：在电穿孔裂解（EL）区域，通过微通道的收缩设计将电场强度集中在收缩区域，实现了电场强度的显著放大，从而能够在低电压下快速裂解隐球菌细胞，释放核酸，提高了裂解效率。

3）灵敏：在电化学检测（ED）区域设计了三个独立的电化学检测单元，能够对释放的核酸进行敏感分析，实现对隐球菌的高灵敏度检测。

4）高度集成：将样本制备和结果定量整合在一个设备中，实现了“样品进，结果出”的目标，同时在封闭环境中进行，避免了对周围环境和操作人员的危害。

尽管具备如此多的优势，但是这种集成式微流控生物芯片在临床应用中可能会面临以下挑战：

1）样品前处理难度大，需要从痰液或脑脊液中提取样本，可能会影响检测效果；

2）临床样本复杂，可能含有其他微生物或成分，对检测信号产生影响；

3）微流控芯片材质生物相容性需要进一步验证，以满足临床要求；

4）需要进一步缩小芯片尺寸并简化操作流程，实现点对点检测；

5）临床验证样本量有限，需要更大规模的多中心临床研究验证其在真实临床环境中的可靠性和准确性。

参考文献：

Kong X, Cheng L, Dong Z, et al. Rapid Cryptococcus electroporated-lysis and sensitive detection on a miniaturized platform[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2024, 250: 116096.