MEMS技術投入COVID-19戰疫

作者 : Alissa M. Fitzgerald 、Farzad Khademolhosseini,Fitzgerald & Associates

為了打贏這場新型冠狀病毒肺炎(Covid-19)「疫」戰,必須與時間賽跑,因而也激起了全球科技公司的投力與合作...

2020年3月21日,美國食品藥物管理局(US Food and Drug Administration; FDA)緊急授權加州Cepheid公司銷售一種快速篩檢導致新型冠狀肺炎(Covid-19)病毒SARS-CoV-2的新方法。Cepheid由Kurt Petersen、Allen Northrup和其他五個人於1996年創立,由於商業化基於微流體晶片的聚合酶鏈反應(PCR)分析設備,而在MEMS領域頗負盛名。但這並不是Cepheid第一次迅速回應這一類細菌或病毒等生物威脅。在2001年美國發生炭疽熱(anthrax)恐怖攻擊之後,Cepheid率先為美國郵政(U.S. Postal Service)提供了炭疽桿菌快篩能力,至今仍在使用中。

當今所有Covid-19檢測方案的核心都是即時反轉錄聚合酶鏈反應(RT-PCR)分析技術。簡單來說,即時RT-PCR利用熱循環擴增患者拭抹樣本中的DNA,然後透過螢光光學檢測來搜尋病毒的特定基因組。

這項測試首先需要了解病毒的基因組;中國科學家於2020年1月10日首次公開發表了SARS-CoV-全基因組測序的關鍵工作。在確定了該病毒的基因組後,以德國為主導的一支研究小組僅花了7天時間就發表了用於測試患者樣本的第一項方案,目前已由世界衛生組織(World Health Organization;WHO)加以採用。現在還有其他可能更快速也更經濟的病毒檢測方法也在研究中,例如抗體檢測或CRISPR-Cas13測試等。

傳統的PCR設備需要數小時才能完成熱循環並取得結果。此外,由於患者拭抹樣本中潛在的病毒量較低以及擴增DNA的固有限制,傳統的PCR方法可能會導致大量假陰性反應。為了對抗傳染性疾病爆發,必須既快速又準確地在患者等待的幾分鐘內完成篩檢,以防止陽性患者被漏檢,而對於其他人造成不必要的風險。

MEMS技術為PCR帶來了兩項重要優點:縮減尺寸以及整合微流體。MEMS加熱器和反應室的熱質量很小,因此可顯著加快熱-冷循環,並在數分鐘內迅速得到結果。這種用於樣本和試劑處理的微流體整合實現了大規模應用的新技術,例如數位PCR (dPCR)。

數位PCR方法利用微流體通道將患者的樣本分成多個微孔陣列或微滴乳狀液(稱為液滴數位PCR或ddPCR)等多個單獨的樣本。然後再將這些微量樣本進行平行PCR處理,使其聚合後產生樣本中目標分子總數。這種樣本的微觀平行處理顯著提高了檢測下限,從而提高了測試結果的準確性。

用於數位PCR的微流控室陣列(來源:Combinati)

近來在湖北自然科學基金會(Hubei Natural Science Foundation)贊助的一項研究()中,證實了採用基於MEMS和微流體的PCR工具與技術來檢測SARS-CoV-2,比傳統的PCR方法更具優勢。在這項研究中,液滴數位PCR (ddPCR)和傳統PCR一併用於測試患者樣本。這項發表於今年3月6日的初步研究結果(尚待進一步的臨床試驗證實)顯示,ddPCR的SARS-CoV-2檢測閾值比傳統PCR閾值低500倍。這一結果意味著,在患者樣本中病毒載量可能較低的情況下,ddPCR比傳統PCR更有可能準確篩檢出陽性患者。

MEMS PCR晶片的開發始於1990年代初。美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory;LLNL)由Allen Northrup領軍的研究小組於1993年發表了第一個基於矽的PCR晶片相關論文,該晶片後來也在1996年授權給Ceph​​eid。過去幾十年來,有關如何使用MEMS材料和方法製造新穎PCR晶片,以及由矽、玻璃甚至塑料基材製成微型整體分析系統(uTAS)的研究一直在持續進行中。

由美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(LLNL)的Northrup等人開發的首款MEMS矽基PCR晶片(右)已授權給Cepheid;以及Cepheid現有的測試盒(右)

(來源:Northrup MA, Ching MT, White RM, Watson RT, “DNA amplification in a microfabricated reaction chamber,” Transducers 1993, Yokohama, Japan. pp. 924–926.)

如今,學術研究人員正致力於使用微加工方法來開發高度整合的低成本系統,特別是用於定點照護(POC)。 最新的研究案例之一是韓國ETRI和Genesystem聯手的研究團隊開發了一種低成本的手持式PCR原型系統,該系統具有聚酰亞胺(聚合物)腔室、微加熱器以及整合的CMOS檢測器,可用於光學讀取結果(如下圖)。

可攜式PCR原型横切面圖示意圖(左),包括腔室、加熱模組和整合型光偵測器;以及整合測試盒(右)。(來源:DS Lee, OR Choi, and YJ Seo, “A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device,” Transducers 2019, Berlin, Germany pp. 1063-1065.)

這場與時間賽跑的Covid-19戰疫,也激發了全球科技公司的各種活動和合作。晶體數位PCR先驅——法國Stilla Technologies已經與中國公司合作,為鄭州和信陽市提供其Naica數位PCR系統,協助他們更有效檢測新型冠狀病毒並監測其變異。在美國,加州Bio-Rad於2020年3月19日宣佈,相較於使用qPCR的現有測試方法,其QX200液滴數位PCR系統在SARS-CoV-2的臨床檢測上提供了更高的靈敏度和精確度。根據美國FDA宣佈的「緊急使用授權」(Emergency Use Authorization;EUA),Bio-Rad正與科羅拉多州的Biodesix合作,致力於使基於ddPCR的測試用於Covid-19檢測。甚至是以汽車和智慧型手機MEMS感測器而在MEMS產業中廣為人知的博世(Bosch),也將透過其Vivalytic分析儀與愛爾蘭公司Randox Laboratories Ltd合作,提供快篩解決方案。

博世Vivalytic分析儀和測試盒解決方案。(來源:Bosch GmbH)

此外,南韓也迅速徵召其生物技術公司進行更全面的測試,這有助於其更能確定Covid-19疫情並實施有效的控制措施。

我們衷心希望Cepheid和其他公司所提供的各種快篩測試都能在這場全球戰疫中發揮效用。隨著SARS、MERS和現在的Covid-19相繼流行,似乎可以肯定的一件事是,快速PCR檢測儀是對抗病毒爆發的一項重要醫療工具。全球正持續進行研究和開發以降低成本、提升檢測結果的速度以及準確性,很快地,我們預計將會在每一位醫生的診療室中看到配備著一台利用MEMS技術增強的PCR設備。

  • Alissa M. Fitzgerald, A.M. Fitzgerald & Associates, LLC創辦人
  • Farzad Khademolhosseini, Fitzgerald & Associates, LLC合夥人,負責MEMS設計、分析與製造

(參考原文:Mobilizing MEMS to Fight Covid-19,by Alissa M. Fitzgerald & Farzad Khademolhosseini)

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