最新研究成果 | 清華大學藥學院與醫(yī)學院團隊聯(lián)合研發(fā)出核酸檢測卡盒，居家檢測30分鐘內(nèi)出結(jié)果！
時間：2021-04-09 00:28:02學院：藥學院學校：清華大學
隨著疫情防控態(tài)勢逐漸趨穩(wěn)，社會生產(chǎn)生活正常秩序逐漸恢復，如何讓每一個有需要的人都能夠得到方便、快捷、靈敏的新冠病毒核酸檢測，對當前疫情防控和復產(chǎn)復工復學具有極為重要的意義。
日前，清華大學藥學院白凈衛(wèi)、李寅青與醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉鵬課題組在北京市科委和清華大學自主研發(fā)計劃支持下聯(lián)合研發(fā)出一體化自助式SARS-CoV-2核酸檢測卡盒（BINAS），在解決以上問題上取得重大突破。該卡盒具有居家檢測的便捷性，兩個推桿一推一拉之間，30分鐘內(nèi)即可實現(xiàn)“樣本入、結(jié)果出”！
自疫情發(fā)生以來，清華大學高度重視，全力開展各項攻關(guān)工作。藥學院積極響應、迅速組織科研攻關(guān)團隊。此次核酸檢測卡盒的問世，無疑是藥學院在抗“疫”工作方面進入了又一個令人欣喜且值得期待的全新階段。
原理：弄清病毒“身份證”
這些技術(shù)難關(guān)是如何突破的呢？在回答這個問題前，首先需要科普一下核酸檢測到底是什么，以及為什么它能準確地檢出新冠病毒。核酸是核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）的總稱，也就是我們常說的RNA和DNA，是生物體遺傳信息的總和。
核酸就好比一張設計圖紙，沒有它就永遠蓋不好一座大樓。
現(xiàn)在常用的檢測方式如熒光PCR法（Polymerase Chain Reaction，聚合酶鏈式反應），便是利用PCR可以在生物體外擴增特定的DNA片段，從而達到檢測的目的。
換句話說，待測樣品（疑似病人試樣）就好比一個陌生人，我們不知道他是誰，但他有一張獨一無二的“身份證”——目標DNA。我們利用PCR法不但可以看到他的“身份證”，還可以擴增復制很多張，從而利用熒光檢測來確定他到底是誰！
這個過程說來簡單，但實際操作并不容易。
核酸檢測并不像曼妥思糖丟入汽水時瞬間劇烈反應，也不像硫酸銅滴入氫氧化鈉會出現(xiàn)明顯的陽性反應，所以以往的核酸檢測往往需要在嚴苛的實驗環(huán)境條件和專業(yè)的設備下，經(jīng)過2-3小時的繁瑣操作和反應才能得到檢測結(jié)果。而且，在取樣過程中非常容易受到雜質(zhì)的影響，從而導致核酸提取的損失，受實驗條件的影響還會導致樣本擴增倍率低，最終經(jīng)常導致“假陰性”情況出現(xiàn)。
劉鵬（左），白凈衛(wèi)（中），李寅青（右）
而清華大學白凈衛(wèi)、李寅青、劉鵬團隊，正是克服了以往核酸檢測對時間、條件和靈敏度的苛刻要求，實現(xiàn)了從咽拭子取樣、一體化卡盒反應、膠體金試紙條讀取的自助操作，在保證準確率的前提下，30分鐘內(nèi)即可出結(jié)果！
一體化卡盒的基本流程
快速：把耐力跑變成接力跑
“時間提速是我們這次做核酸檢測要解決的最大難題！”白凈衛(wèi)此前長期從事基因測序技術(shù)的研究，積累了豐富的核酸樣本采集、處理、檢測的經(jīng)驗。他介紹，核酸檢測PCR法利用傳統(tǒng)的方式讓樣品擴增，一開始樣品復制很快，但后期速度就遞減，耗時太長。
“我們在技術(shù)攻關(guān)中，采用了巢式等溫擴增（ITA）技術(shù)?！卑變粜l(wèi)表示。
所謂的“巢式”，可以理解為 “嵌套”，一個環(huán)節(jié)嵌套一個環(huán)節(jié)。白凈衛(wèi)把新冠檢測這類恒量核酸樣本的擴增的過程比喻為“運動員長跑”，運動員一開始速度很快，但是往往耐力不足。樣品擴增也是如此，一開始復制很快，但中途就衰減下來，所以為了提高速度，他們把“長跑”改成 “接力跑”，可以在短時間內(nèi)完成對個位數(shù)的新冠病毒進行檢測。
“最后，以上反應物在膠體金試紙上通過競爭法顯色，讀取方式與驗孕棒類似，一目了然?！?白凈衛(wèi)說，整個過程理論上22分鐘即可完成，檢測者個人操作的話，30分鐘之內(nèi)完全可以實現(xiàn)“樣本入，結(jié)果出”。
靈敏：時間允許條件下樣本準確率近100%
藥學院李寅青長期從事 CRISPR 技術(shù)和微量核酸處理技術(shù)的研發(fā)，積累了豐富的樣本處理、核酸擴增和檢測經(jīng)驗。在核心檢測技術(shù)研發(fā)上，他與白凈衛(wèi)緊密配合。
為了克服傳統(tǒng)檢測方法出現(xiàn)“假陰性高”問題，李寅青表示，他們在樣本獲取、核酸擴增、病原識別、膠體金免疫層析顯色等環(huán)節(jié)，都進行了整合簡化，減少檢驗人員的干預，提升檢測的靈敏度。
共同探討研究思路
“比如在簡化樣本處理方面，由于咽拭子樣本通常含有抑制反應的雜質(zhì)，常規(guī)檢測樣本通常需要經(jīng)過核酸提取過程，這個流程費時且人工操作相對復雜，不適合未經(jīng)培訓的人員使用?！崩钜嗾f，他們通過優(yōu)化裂解流程和后端擴增試劑，實現(xiàn)不經(jīng)過核酸提取直接進入反轉(zhuǎn)錄等溫擴增的流程，極大的降低檢測過程復雜性，減少了因雜質(zhì)導致的“假陰性”案例。
李寅青介紹，他們用新研發(fā)的技術(shù)對19 例 QPCR（傳統(tǒng)的實時熒光定量PCR方法）陽性患者樣本進行了復合，結(jié)果全部可以檢出。
“結(jié)果證明了本項目的靈敏度接近QPCR的靈敏程度，QPCR是300 拷貝/毫升（copies/ml），我們的靈敏度小于400拷貝/毫升。此外，與近期于國際頂級期刊 Nature Biotechnology 報道的美國加州基于CRISPR原理開發(fā)的高靈敏度技術(shù)相比，本項目獨創(chuàng)的帶標簽的巢式等溫擴增技術(shù)檢測時間更短靈敏度更高?！崩钜啾硎?。
便捷：一推一拉搞出結(jié)果
如果說白凈衛(wèi)與李寅青主要的工作是開發(fā)檢測軟件，那么醫(yī)學院劉鵬所承擔的任務就是研發(fā)硬件——“檢測盒”。
劉鵬在醫(yī)學院生醫(yī)系一直從事微流控與生物芯片方面的研究工作?！斑@個項目最初的想法就是實現(xiàn)居家使用，形狀要便攜，性能要集成。藥學院項目組前期的開發(fā)的檢測試劑靈敏度高，速度快，受雜質(zhì)干擾小，恒溫檢測對溫控要求低，這些都為卡盒一體化集成提供了有利前提。”他提到“集成”的概念，“把檢測環(huán)節(jié)都集中一個卡盒上，通過精密的流體控制，達到高靈敏度的檢測效果。”
劉鵬介紹，以上操作和試劑將由“一體集成化微流控卡盒”承載：第一步，移動桿帶動注射器式的活塞導致裂解的樣品流入第一個等溫擴增腔；第二步，反應10 分鐘后，反應產(chǎn)物被稀釋；第三步，泵入第二個等溫反應室進行帶探針的進一步擴增；最后，將反應混合物泵入裝有層流試紙條的室中，以讀出測試結(jié)果。這其中，卡盒含有 USB 或電池供電的簡易恒溫電路，可以提供擴增反應所需要的溫度。
由美術(shù)學院趙超教授完成的卡盒外觀設計成品
“為提高卡盒的用戶使用體驗，我們邀請了清華美院副院長趙超教授對卡盒進行結(jié)構(gòu)和外觀設計，趙老師從用戶操作和體驗等多個角度對卡盒的定型提供了非常大的幫助，預計未來的卡盒長寬高約為10x10x3cm，檢測者使用時只要把兩個推桿上下各一推，30分鐘內(nèi)就可以查看結(jié)果，操作非常簡單。” 劉鵬表示，根據(jù)他們的設想，未來還將進行批量化檢測卡盒研發(fā)，進行多樣本檢測，并將開發(fā)移動端 APP，輔助用戶使用和結(jié)果判讀。
操作卡盒中
據(jù)悉，下一步，該項目團隊將推進小批量卡盒裝配，驗證批量化生產(chǎn)的可行性，同時與醫(yī)院合作，加快臨床樣本的驗證。目前，團隊也正在積極尋找未來的合作伙伴，加快檢測卡盒的報批工作。
研發(fā)：沒有想太多，只想做點事
白凈衛(wèi)、李寅青、劉鵬，三人在清華的經(jīng)歷非常相似，都是70后或80后，都有留美科研經(jīng)歷，科研興趣相近，平時交流很多。
今年春節(jié)，“武漢封城”的消息讓三人坐立不安。當時，他們不約而同搜索了領域內(nèi)的相關(guān)論文并咨詢了戰(zhàn)斗在抗疫一線的醫(yī)護工作者，發(fā)現(xiàn)核酸檢測領域缺少這種能實現(xiàn)一體化、自助操作、高靈敏度的檢測技術(shù)。在交流中一拍即合！他們立即決定開展研發(fā)，希望新產(chǎn)品無需任何儀器設備或操作員培訓，即可作為門診、現(xiàn)場或家庭自助式病毒檢測手段。
說干就干！大年初四，三人在李寅青家里集合一起討論。習慣了平時討論把思路寫在展板上的仨人，把李寅青家的客廳當成了實驗室，用孩子的彩筆把思路寫在了墻上。
寫在墻上的研發(fā)思路
“之后，我們基本是按照當時的思路一步步的實現(xiàn)?！?李寅青說，從2月的思路規(guī)劃、設計膠囊卡盒，到3月的Nest ITA和3D微流控，到4月的臨床樣本、卡盒集成，一步接一步。面對疫情，誰也不敢松懈，剛開始因為疫情影響，主要工作都是三個人親力親為，后來陸續(xù)有年輕的研究生們放棄寒假休息主動加入，丁勝老師讓出了自己的細胞間，魯白老師派學生前來充實人手，程京老師給予很多指導意見，期間也獲得了很多熱心抗疫的企業(yè)幫助和奮斗在抗疫一線的醫(yī)務專家的指導，現(xiàn)如今，他們已經(jīng)把5月、6月甚至到今年年底的攻關(guān)計劃安排好，逐步推進。
正如白凈衛(wèi)、李寅青、劉鵬在采訪中所說：“疫情當前，作為年輕的科研人員，真的沒有想太多，輕裝上陣，只想切切實實地為疫情防控能做點兒事！”
日前，清華大學藥學院白凈衛(wèi)、李寅青與醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉鵬課題組在北京市科委和清華大學自主研發(fā)計劃支持下聯(lián)合研發(fā)出一體化自助式SARS-CoV-2核酸檢測卡盒（BINAS），在解決以上問題上取得重大突破。該卡盒具有居家檢測的便捷性，兩個推桿一推一拉之間，30分鐘內(nèi)即可實現(xiàn)“樣本入、結(jié)果出”！
自疫情發(fā)生以來，清華大學高度重視，全力開展各項攻關(guān)工作。藥學院積極響應、迅速組織科研攻關(guān)團隊。此次核酸檢測卡盒的問世，無疑是藥學院在抗“疫”工作方面進入了又一個令人欣喜且值得期待的全新階段。
原理：弄清病毒“身份證”
這些技術(shù)難關(guān)是如何突破的呢？在回答這個問題前，首先需要科普一下核酸檢測到底是什么，以及為什么它能準確地檢出新冠病毒。核酸是核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）的總稱，也就是我們常說的RNA和DNA，是生物體遺傳信息的總和。
核酸就好比一張設計圖紙，沒有它就永遠蓋不好一座大樓。
現(xiàn)在常用的檢測方式如熒光PCR法（Polymerase Chain Reaction，聚合酶鏈式反應），便是利用PCR可以在生物體外擴增特定的DNA片段，從而達到檢測的目的。
換句話說，待測樣品（疑似病人試樣）就好比一個陌生人，我們不知道他是誰，但他有一張獨一無二的“身份證”——目標DNA。我們利用PCR法不但可以看到他的“身份證”，還可以擴增復制很多張，從而利用熒光檢測來確定他到底是誰！
這個過程說來簡單，但實際操作并不容易。
核酸檢測并不像曼妥思糖丟入汽水時瞬間劇烈反應，也不像硫酸銅滴入氫氧化鈉會出現(xiàn)明顯的陽性反應，所以以往的核酸檢測往往需要在嚴苛的實驗環(huán)境條件和專業(yè)的設備下，經(jīng)過2-3小時的繁瑣操作和反應才能得到檢測結(jié)果。而且，在取樣過程中非常容易受到雜質(zhì)的影響，從而導致核酸提取的損失，受實驗條件的影響還會導致樣本擴增倍率低，最終經(jīng)常導致“假陰性”情況出現(xiàn)。
劉鵬（左），白凈衛(wèi)（中），李寅青（右）
而清華大學白凈衛(wèi)、李寅青、劉鵬團隊，正是克服了以往核酸檢測對時間、條件和靈敏度的苛刻要求，實現(xiàn)了從咽拭子取樣、一體化卡盒反應、膠體金試紙條讀取的自助操作，在保證準確率的前提下，30分鐘內(nèi)即可出結(jié)果！
一體化卡盒的基本流程
快速：把耐力跑變成接力跑
“時間提速是我們這次做核酸檢測要解決的最大難題！”白凈衛(wèi)此前長期從事基因測序技術(shù)的研究，積累了豐富的核酸樣本采集、處理、檢測的經(jīng)驗。他介紹，核酸檢測PCR法利用傳統(tǒng)的方式讓樣品擴增，一開始樣品復制很快，但后期速度就遞減，耗時太長。
“我們在技術(shù)攻關(guān)中，采用了巢式等溫擴增（ITA）技術(shù)?！卑變粜l(wèi)表示。
所謂的“巢式”，可以理解為 “嵌套”，一個環(huán)節(jié)嵌套一個環(huán)節(jié)。白凈衛(wèi)把新冠檢測這類恒量核酸樣本的擴增的過程比喻為“運動員長跑”，運動員一開始速度很快，但是往往耐力不足。樣品擴增也是如此，一開始復制很快，但中途就衰減下來，所以為了提高速度，他們把“長跑”改成 “接力跑”，可以在短時間內(nèi)完成對個位數(shù)的新冠病毒進行檢測。
“最后，以上反應物在膠體金試紙上通過競爭法顯色，讀取方式與驗孕棒類似，一目了然?！?白凈衛(wèi)說，整個過程理論上22分鐘即可完成，檢測者個人操作的話，30分鐘之內(nèi)完全可以實現(xiàn)“樣本入，結(jié)果出”。
靈敏：時間允許條件下樣本準確率近100%
藥學院李寅青長期從事 CRISPR 技術(shù)和微量核酸處理技術(shù)的研發(fā)，積累了豐富的樣本處理、核酸擴增和檢測經(jīng)驗。在核心檢測技術(shù)研發(fā)上，他與白凈衛(wèi)緊密配合。
為了克服傳統(tǒng)檢測方法出現(xiàn)“假陰性高”問題，李寅青表示，他們在樣本獲取、核酸擴增、病原識別、膠體金免疫層析顯色等環(huán)節(jié)，都進行了整合簡化，減少檢驗人員的干預，提升檢測的靈敏度。
共同探討研究思路
“比如在簡化樣本處理方面，由于咽拭子樣本通常含有抑制反應的雜質(zhì)，常規(guī)檢測樣本通常需要經(jīng)過核酸提取過程，這個流程費時且人工操作相對復雜，不適合未經(jīng)培訓的人員使用?！崩钜嗾f，他們通過優(yōu)化裂解流程和后端擴增試劑，實現(xiàn)不經(jīng)過核酸提取直接進入反轉(zhuǎn)錄等溫擴增的流程，極大的降低檢測過程復雜性，減少了因雜質(zhì)導致的“假陰性”案例。
李寅青介紹，他們用新研發(fā)的技術(shù)對19 例 QPCR（傳統(tǒng)的實時熒光定量PCR方法）陽性患者樣本進行了復合，結(jié)果全部可以檢出。
“結(jié)果證明了本項目的靈敏度接近QPCR的靈敏程度，QPCR是300 拷貝/毫升（copies/ml），我們的靈敏度小于400拷貝/毫升。此外，與近期于國際頂級期刊 Nature Biotechnology 報道的美國加州基于CRISPR原理開發(fā)的高靈敏度技術(shù)相比，本項目獨創(chuàng)的帶標簽的巢式等溫擴增技術(shù)檢測時間更短靈敏度更高?！崩钜啾硎?。
便捷：一推一拉搞出結(jié)果
如果說白凈衛(wèi)與李寅青主要的工作是開發(fā)檢測軟件，那么醫(yī)學院劉鵬所承擔的任務就是研發(fā)硬件——“檢測盒”。
劉鵬在醫(yī)學院生醫(yī)系一直從事微流控與生物芯片方面的研究工作?！斑@個項目最初的想法就是實現(xiàn)居家使用，形狀要便攜，性能要集成。藥學院項目組前期的開發(fā)的檢測試劑靈敏度高，速度快，受雜質(zhì)干擾小，恒溫檢測對溫控要求低，這些都為卡盒一體化集成提供了有利前提。”他提到“集成”的概念，“把檢測環(huán)節(jié)都集中一個卡盒上，通過精密的流體控制，達到高靈敏度的檢測效果。”
劉鵬介紹，以上操作和試劑將由“一體集成化微流控卡盒”承載：第一步，移動桿帶動注射器式的活塞導致裂解的樣品流入第一個等溫擴增腔；第二步，反應10 分鐘后，反應產(chǎn)物被稀釋；第三步，泵入第二個等溫反應室進行帶探針的進一步擴增；最后，將反應混合物泵入裝有層流試紙條的室中，以讀出測試結(jié)果。這其中，卡盒含有 USB 或電池供電的簡易恒溫電路，可以提供擴增反應所需要的溫度。
由美術(shù)學院趙超教授完成的卡盒外觀設計成品
“為提高卡盒的用戶使用體驗，我們邀請了清華美院副院長趙超教授對卡盒進行結(jié)構(gòu)和外觀設計，趙老師從用戶操作和體驗等多個角度對卡盒的定型提供了非常大的幫助，預計未來的卡盒長寬高約為10x10x3cm，檢測者使用時只要把兩個推桿上下各一推，30分鐘內(nèi)就可以查看結(jié)果，操作非常簡單。” 劉鵬表示，根據(jù)他們的設想，未來還將進行批量化檢測卡盒研發(fā)，進行多樣本檢測，并將開發(fā)移動端 APP，輔助用戶使用和結(jié)果判讀。
操作卡盒中
據(jù)悉，下一步，該項目團隊將推進小批量卡盒裝配，驗證批量化生產(chǎn)的可行性，同時與醫(yī)院合作，加快臨床樣本的驗證。目前，團隊也正在積極尋找未來的合作伙伴，加快檢測卡盒的報批工作。
研發(fā)：沒有想太多，只想做點事
白凈衛(wèi)、李寅青、劉鵬，三人在清華的經(jīng)歷非常相似，都是70后或80后，都有留美科研經(jīng)歷，科研興趣相近，平時交流很多。
今年春節(jié)，“武漢封城”的消息讓三人坐立不安。當時，他們不約而同搜索了領域內(nèi)的相關(guān)論文并咨詢了戰(zhàn)斗在抗疫一線的醫(yī)護工作者，發(fā)現(xiàn)核酸檢測領域缺少這種能實現(xiàn)一體化、自助操作、高靈敏度的檢測技術(shù)。在交流中一拍即合！他們立即決定開展研發(fā)，希望新產(chǎn)品無需任何儀器設備或操作員培訓，即可作為門診、現(xiàn)場或家庭自助式病毒檢測手段。
說干就干！大年初四，三人在李寅青家里集合一起討論。習慣了平時討論把思路寫在展板上的仨人，把李寅青家的客廳當成了實驗室，用孩子的彩筆把思路寫在了墻上。
寫在墻上的研發(fā)思路
“之后，我們基本是按照當時的思路一步步的實現(xiàn)?！?李寅青說，從2月的思路規(guī)劃、設計膠囊卡盒，到3月的Nest ITA和3D微流控，到4月的臨床樣本、卡盒集成，一步接一步。面對疫情，誰也不敢松懈，剛開始因為疫情影響，主要工作都是三個人親力親為，后來陸續(xù)有年輕的研究生們放棄寒假休息主動加入，丁勝老師讓出了自己的細胞間，魯白老師派學生前來充實人手，程京老師給予很多指導意見，期間也獲得了很多熱心抗疫的企業(yè)幫助和奮斗在抗疫一線的醫(yī)務專家的指導，現(xiàn)如今，他們已經(jīng)把5月、6月甚至到今年年底的攻關(guān)計劃安排好，逐步推進。
正如白凈衛(wèi)、李寅青、劉鵬在采訪中所說：“疫情當前，作為年輕的科研人員，真的沒有想太多，輕裝上陣，只想切切實實地為疫情防控能做點兒事！”
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