Tradiciaj diagnozaj strategioj por detektado de infektaj malsanoj postulas la uzon de benktopinstrumentoj kiuj ne estas taŭgaj por punkto-de-prizorgtestado (POCT).Emerĝanta mikrofluidiko estas tre miniaturigita, aŭtomatigita kaj integra teknologio, kiu estas ebla alternativo al tradiciaj metodoj por rapidaj, malmultekostaj, precizaj surlokaj diagnozoj.Molekulaj diagnozaj metodoj estas vaste uzitaj en mikrofluidaj aparatoj kiel la plej efikaj metodoj por patogendetekto.Ĉi tiu revizio resumas lastatempajn progresojn en mikrofluid-bazita molekula diagnozo de infektaj malsanoj de kaj akademia kaj industria perspektivo.Unue, ni priskribas tipan sur-blatan prilaboradon de nukleaj acidoj, inkluzive de specimena antaŭtraktado, plifortigo kaj signallegado.La karakterizaĵoj, avantaĝoj kaj malavantaĝoj de la kvar specoj de mikrofluidaj platformoj tiam estas komparitaj.Poste, ni diskutos la uzon de ciferecaj provoj por la absoluta kvantigo de nukleaj acidoj.Kaj klasikaj kaj lastatempaj komercaj mikrofluid-bazitaj molekulaj diagnozaj aparatoj estas resumitaj kiel signoj de la nuna stato de la merkato.Fine, ni proponas estontajn direktojn por mikrofluida diagnozo de infektaj malsanoj.
Infektaj malsanoj estas kaŭzitaj de patogenoj, inkluzive de bakterioj, virusoj kaj parazitoj, kiuj estas distribuitaj tra la mondo.Male al aliaj malsanoj, patogenoj rapide infektiĝas kaj disvastiĝas inter homoj kaj gastigaj bestoj per inokulado, aero kaj akva amaskomunikilaro [1].Preventado de infektaj malsanoj estas kritika kiel mezuro pri publika sano.Tri ĉefaj strategioj por kontraŭbatali infektajn malsanojn: (1) kontroli la fonton de infekto;(2) interrompo de la transdona vojo;(3) protekto de sentemaj populacioj.Inter la ĉefaj strategioj, kontrolo de la fonto de infekto estas konsiderata la plej grava strategio pro sia oportuno kaj malalta kosto.Rapida diagnozo, izolado kaj traktado de infektitaj individuoj estas kritikaj, postulante rapidajn, sentemajn kaj precizajn diagnozajn strategiojn [2].La nuna diagnozo de infektaj malsanoj kutime kombinas klinikan ekzamenon bazitan sur signoj kaj simptomoj kaj laboratoriaj studoj kiel ĉelkulturo kaj molekula diagnozo, kiuj postulas trejnitan personaron, laborintensajn procedurojn kaj multekostajn testajn ekipaĵojn [3, 4].Antaŭzorgo de infektaj malsanoj postulas rapidan, malmultekostan kaj precizan lokan diagnozon, precipe en rimed-limigitaj lokoj kie infektaj malsanoj estas oftaj kaj severaj [5], same kiel terapion en la sovaĝejo aŭ sur la batalkampo, kie krizoj estas neantaŭvideblaj..medicina prizorgo estas limigita [6].En ĉi tiu kunteksto, mikrofluidiko estas teknologio kiu kombinas mikroelektromekanikan sistemteknologiojn, nanoteknologion, aŭ materialsciencon por preciza fluida manipulado [7,8,9,10], disponigante novajn eblecojn por punkto-de-prizorga detekto (POCT).) infektaj agentoj ekster hospitaloj kaj laboratorioj.Kompare al tradicia tempopostula diagnozo, mikrofluida teknologio ofertas specimenajn kaj kostajn ŝparojn por molekula diagnozo dum malsaneksplodoj.La tutmonda disvastiĝo de koronavirus-malsano 2019 (COVID-19) estas kaŭzita de severa akra spira sindromo koronavirus 2 (SARS-CoV-2), do la graveco de mikrofluidiko por ĝustatempa antaŭzorgo kaj kontrolo de la pandemio estas denove emfazita [11, 12]. , 13].Male al tradiciaj diagnozoj, mikrofluida POCT uzas malgrandajn porteblajn aparatojn intervalantajn de benktop-analiziloj ĝis malgrandaj flankfluaj teststrioj por testi proksime de la specimena punkto [14].Ĉi tiuj provoj prezentas simplisman aŭ neniun specimenan preparon, rapidan signalplifortigon, kaj sentemajn signallegaĵojn rezultigantajn mallongan daŭron kaj precizajn rezultojn ene de minutoj.La havebleco kaj amasproduktado de mikrofluid-bazitaj saninstrumentoj vastigis siajn kostefikajn kaj rektajn diagnozajn aplikojn ekster la hospitalo, proksime de la paciento, kaj eĉ hejme.
Inter la ekzistantaj strategioj por diagnozi infektajn malsanojn, molekula diagnozo estas unu el la plej sentemaj [15, 16].Krome, molekula diagnozo ofte estas uzata kiel la ora normo por kontinua detekto de COVID-19, permesante rektan detekton de virus-specifaj regionoj de RNA aŭ DNA antaŭ la komenco de imuna respondo [17, 18].En la nuna revizio, ni prezentas la plej novajn progresojn en mikrofluidik-bazitaj molekulaj diagnozaj procezoj por infektaj malsanoj, de akademia perspektivo al estontaj industriaj perspektivoj (Fig. 1).Ni komencos per tri ŝlosilaj paŝoj en detekto de nukleaj acidoj: surblata specimena antaŭtraktado, plifortigo de nuklea acido kaj signallegado.Ni tiam komparis malsamajn specojn de mikrofluidaj platformoj kun ilia strukturo kaj funkcio, montrante unikajn trajtojn (fortoj kaj malfortoj).Cifereca nuklea aciddetekto estas plue diskutita kaj donita kiel ekzemplo de triageneracia teknologio por la absoluta kvantigo de infektaj patogenmolekuloj.Krome, pluraj tipaj kaj plej novaj komercaj POCT-aparatoj estos prezentitaj por pruvi la nunan staton de la mikrofluida POCT-merkato por molekula diagnozo.Ni ankaŭ diskutos kaj klarigos nian vizion por estontaj aplikoj.
Moduloj de mikrofluidaj blatoj por nuklea acida detekto povas esti dividitaj en tri kategoriojn (specimenigo, rekono kaj signalado) laŭ siaj funkcioj [19].Inter ĉi tiuj moduloj, la specimena modulo ĉefe realigas specimenan lizon kaj eltiron de nuklea acido.La sensila modulo ĉefe kontrolas la konvertiĝon kaj plifortigon de nukleaj acidaj signaloj.La signala modulo detektas la signalon transformitan kaj prilaboritan de la senta modulo.Surbaze de la procezo de detektado de nukleaj acidoj sur blato, ni resumos la diversajn blatojn, kiuj povas realigi la funkcion "enigo kaj eligo".
La unua paŝo en nuklea acido-detekto estas nuklea acida eltiro, t.e. izoli la celan nuklean acidon de la origina specimeno.Nukleacida eltiro estas farita por purigi nukleajn acidojn de aliaj molekulaj poluaĵoj, certigi la integrecon de la primara strukturo de nukleaj acidaj molekuloj kaj optimumigi rezultojn.Ekstraktado de nuklea acido postulas la necesan specimenan lizon kaj kapton de nuklea acido, kies kvalito kaj efikeco havas grandegan efikon al esplorado kaj diagnozaj rezultoj.Ajnaj subtilaj kromefikoj dum eltiro povas limigi plian detekton.Ekzemple, metodoj de polimeraza ĉena reago (PCR) kaj buklo-izoterma plifortigo (LAMPO) estas malhelpitaj de kelkaj restaj organikaj solviloj kiel etanolo kaj izopropanolo en nukleaj acidaj izolaj reakciiloj [20].Likv-likva ekstraktado kaj solid-faza ekstraktado estas la plej popularaj metodoj por izolado de nukleaj acidoj [21], tamen, likv-likva ekstraktado sur blato estas ekstreme limigita, ĉar la reakciiloj uzitaj en likva-likva ekstraktado kaŭzas korodon de la plej multaj mikrofluidaj blatoj. .Ĉi tie, ni reliefigas mikroarray-bazitajn solidfazajn eltirajn metodojn kaj komparas iliajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn.
Silicio estas substrata materialo kongrua kun nukleaj acidoj pro sia biokongrueco, stabileco kaj facileco de modifo [22].Grave, kiam modifite kun silicoksido aŭ aliaj materialoj, ĉi tiu kunmetaĵo elmontras ecojn por adsorbi negative ŝargitajn nukleajn acidojn sub malalta pH, altaj salaj kondiĉoj dum eluiĝo kun alta pH, malaltaj salaj solvaĵoj.Surbaze de ĉi tiu fenomeno, eblas purigi la nuklean acidon.
Diversaj formoj de silic-bazitaj materialoj estis uzataj por nuklea acida eltiro en mikrofluidikoj, kiel silicoksidaj bidoj, pulvoroj, mikrofibraj filtriloj kaj silicoksidaj membranoj [23, 24, 25, 26].Depende de la propraĵoj de la materialo, silicio-bazitaj materialoj povas esti uzataj en mikrocirkvitoj laŭ malsamaj manieroj.Ekzemple, silikaj grajnetoj, pulvoroj kaj komercaj nanofiltriloj povas simple esti metitaj en la porojn aŭ mikrokanalojn de mikrofluidaj blatoj kaj helpi ĉerpi nukleajn acidojn el specimenoj [27, 28, 29].Surfac-modifitaj silicoksidmembranoj ankaŭ povas esti uzitaj por rapide purigi DNA de patogenoj je malalta kosto.Ekzemple, Wang et al.[30] Kombinante denaturajn plifortigajn reagojn kun vezik-mediaciita ĉenŝanĝo kun silicoksidmembranoj kovritaj per kitosanoligosakaridoj, multflanka portebla sistemo estis lanĉita kiu sukcese detektis 102-108 koloniajn formantajn unuojn.(CFU)/ml Vibrio parahaemolyticus., kaj la ĉeesto de la viruso estis facile videbla.Powell et al.[31] Silici-bazitaj mikrotabeloj tiam kutimis detekti hepatito C-viruson (HCV), homan imunodeficitan viruson (HIV), Zika viruson, kaj homan papilomaviruson kaj aŭtomatan disvastigon, en kiuj 1.3 μl turmenta mikroreaktoro estis evoluigita por kapti RNA-virusojn.kaj plenumi surloke plifortigon.Aldone al ĉi tiuj metodoj, surfac-modifitaj silikaj mikrokolumnoj ankaŭ ludas ŝlosilan rolon en nuklea acida eltiro, ĉar la geometrio kaj propraĵoj de la modifa materialo multe pliigas eltiran efikecon.Chen et al.[32] proponis mikrofluidan platformon por izolado de malalt-koncentra RNA bazita sur amino-tegitaj siliciaj mikrokolumnoj.Ĉi tiu mikrofluida aparato integras aron de 0.25 cm2 mikrokolonoj sur silicia substrato por atingi pli altan eltiran efikecon per alta surfacareo al volumena proporciodezajno.La avantaĝo de ĉi tiu dezajno estas, ke la mikrofluida aparato povas atingi ĝis 95% de nukleacida eltira efikeco.Tiuj silicio-bazitaj strategioj montras la valoron de rapide izolado de nukleaj acidoj je malalta kosto.En kombinaĵo kun mikrofluidaj blatoj, silicio-bazitaj eltiraj strategioj povas ne nur pliigi la efikecon de nuklea acida detekto, sed ankaŭ faciligi la miniaturigon kaj integriĝon de analizaj aparatoj [20].
Magnetaj apartigmetodoj uzas magnetajn partiklojn por izoli nukleajn acidojn en la ĉeesto de ekstera kampo.Ofte uzataj magnetaj partikloj inkluzivas Fe3O4 aŭ γ-Fe2O3 magnetajn partiklojn kovritajn per silicoksido, amino kaj karboksilo [33,34,35,36].La karakteriza trajto de magnetaj partikloj kompare kun silicio-bazitaj SPE-metodoj estas la facileco de manipulado kaj kontrolo per eksteraj magnetoj.
Uzante la elektrostatikan interagon inter nukleaj acidoj kaj siliko, en kondiĉoj de alta salo kaj malalta pH, nukleaj acidoj estas adsorbitaj sur la surfaco de silic-kovritaj magnetaj partikloj, dum en kondiĉoj de malalta salo kaj alta pH, la molekuloj povas esti lavitaj. denove..Silika-tegitaj magnetaj bidoj ebligas ĉerpi DNA de grandaj volumenaj specimenoj (400 μL) uzante magnete kontrolitan movon [37].Kiel pruvo, Rodriguez-Mateos et al.[38] uzis agordeblajn magnetojn por kontroli la translokigon de magnetaj bidoj al malsamaj kameroj.Surbaze de silic-tegitaj magnetaj partikloj, 470 kopioj/mL de SARS-CoV-2 genoma RNA povas esti ĉerpitaj de kloakaĵprovaĵoj por LAMP-inversa transskriba detekto (RT-LAMP) kaj la respondo povas esti legita ene de 1 horo.nuda okulo (Fig. 2a).
Aparatoj bazitaj sur magnetaj kaj poraj materialoj.Koncipa diagramo de la mikrofluida aparato IFAST RT-LAMP por SARS-CoV-2 RNA-detekto (adaptita de [38]).b Centrifuga mikroaparato por dSPE de buŝa swaba nuklea acido (adaptita de [39]).c Enkonstruita mem-elektra specimenkoncentrilo uzanta FTA®-karton (adaptite de [50]).d Fusion 5 filtrilpapero modifita kun kitosano (adaptita de [51]).SARS-CoV-2 severa akuta spira sindromo koronavirus 2, RT-LAMP inversa transskriba buklo mediaciita izoterma plifortigo, FTA-trovintoj teknologiaj partneroj, NA nuklea acido
Pozitive ŝargitaj magnetaj partikloj estas idealaj por alkroĉi la fosfatan spinon de nuklea acido.Ĉe certa salkoncentriĝo, la negative ŝargitaj fosfatgrupoj de nukleaj acidoj povas esti pozitive ŝargitaj sur la surfaco de la magnetaj kunmetitaj partikloj.Tial, magnetaj nanopartikloj kun malglata surfaco kaj alta denseco de aminogrupoj estis evoluigitaj por la eltiro de nukleaj acidoj.Post magneta apartigo kaj blokado, magnetaj nanopartikloj kaj DNA-kompleksoj povas esti rekte uzataj en PCR, kio forigas la bezonon de kompleksaj kaj tempopostulaj purigaj kaj eluiĝaj operacioj [35].Magnetaj nanopartikloj kovritaj per negativaj karboksilgrupoj ankaŭ estis uzitaj por apartigi nukleajn acidojn adsorbitajn sur surfacoj en alta koncentriĝa polietilenglikolo kaj natria klorida solvo [36].Kun ĉi tiuj surfac-modifitaj magnetaj bidoj, DNA-ekstraktado estas kongrua kun posta plifortigo.Dignan et al.[39] priskribis aŭtomatigitan kaj porteblan centrifugan mikrofluidan platformon por nukleaacida antaŭtraktado, permesante al ne-teknika personaro uzi ĝin surloke.Krome, la kongruo de la izolita DNA kun LAMPO, metodo bone taŭga por analizo pri nuklea acidaj punktoj, plue pruvas minimumajn ekipaĵojn kaj taŭgecon por kolorimetriaj provoj (Fig. 2b).
Magnetaj bidmetodoj ofertas la eblecon de aŭtomatigita eltiro, kelkaj el kiuj ekzistas en komercaj aŭtomatigitaj nukleaacidaj ekstraktiloj [KingFisher;ThermoFisher (Waltham, MA, Usono), QIAcube® HT;CapitalBio (Pekino, Ĉinio) kaj Biomek®;Beckman (Miamo, Usono).), Florido, Usono)].La avantaĝoj de kombinado de magnetaj bidoj kun mikrofluidiko povas esti uzitaj por efika aŭtomatigita ekstraktado de nukleaj acidoj, kiuj eble povus antaŭenigi la evoluon de molekula diagnozo;tamen, la kombinaĵo de magnetaj bidoj kun mikrofluidiko daŭre dependas peze de kompleksaj kontrolsistemoj por preciza manipulado de magnetperloj, kiu klarigas la popularecon de komercaj produktoj estantaj volumenaj kaj multekostaj, kiu limigas la plian aplikon de magnetaj bidoj en POCT.
Pluraj poraj materialoj kiel modifitaj nitrocelulozaj filtriloj, Finders Technology Associates (FTA) kartoj, filtrilaj paperoj bazitaj en polietersulfonaj kaj glikan-tegitaj materialoj ankaŭ estis uzataj por detekto de nukleaj acidoj [40, 41, 42, 43, 44].Poraj fibrecaj materialoj kiel ekzemple fibreca papero unue kutimis izoli DNA fizike implikante long-senhelpajn DNA-molekulojn kun fibroj.Malgrandaj poroj kondukas al forta fizika limigo de DNA-molekuloj, kiu pozitive influas DNA-eltiron.Pro la malsamaj poraj grandecoj de fibreca papero, la eltira efikeco ne povas plenumi la bezonojn de DNA-plifortigo [45, 46].La FTA-karto estas komerca filtrila papero uzata en la kampo de krimmedicina medicino kaj vaste uzata en aliaj areoj de molekula diagnozo.Per la uzo de celuloza filtrila papero impregnita per diversaj kemiaĵoj por lizi la ĉelmembranojn en la specimeno, la liberigita DNA estas protektita kontraŭ degenero ĝis 2 jaroj.Pli lastatempe, impregnita celuloza papero estis evoluigita por molekula detekto de diversaj patogenoj, inkluzive de SARS-CoV-2, leishmaniozo kaj malario [47,48,49].HIV en la izolita plasmo estas lizita rekte, kaj la virusa nuklea acido estas riĉigita en la fluo-membrano FTA® konstruita en la koncentrilo, kiu permesas efikan produktadon de la nuklea acido [50] (Fig. 2c).La ĉefproblemo kun nuklea acida detekto uzanta FTA-kartojn estas ke kemiaĵoj kiel ekzemple guanidino kaj izopropanolo malhelpas postajn plifortigajn reagojn.Por solvi ĉi tiun problemon, ni evoluigis Fusion 5 kitosan-modifitan filtrilpaperon, kiu kombinas la avantaĝojn de ambaŭ la fizika interplektado de DNA-molekuloj kaj fibreca filtrilpapero, kaj la elektrostatika adsorbado de DNA sur kitosan-modifitaj kunmetaĵoj por atingi tre efikan nukleacidan eltiron. ..filtrilaj fibroj [51] (Fig. 2d).Simile, Zhu et al.[52] montris kitosan-modifitan PCR-metodon bazitan sur surloka kapilara mikrofluida sistemo por rapida izoliteco kaj detekto de Zika virusa RNA.Nukleaj acidoj povas esti adsorbitaj/desorbitaj en miksita lisato/PCR-medio, respektive, surbaze de la ŝaltilo/malŝaltita posedaĵo de kitosano.on kaj off”, responde al pH.
Kiel menciite supre, ĉi tiuj strategioj kombinas la avantaĝojn de diversaj solidfazaj materialoj kaj pliigas la efikecon de nukleaacida ekstraktado en mikrofluidiko.En praktikaj aplikoj, la uzo de ĉi tiuj materialoj en grandaj kvantoj estas malekonomia, kaj taŭga surfaca traktado aŭ surfaca modifo de komunaj materialoj kun ĉi tiuj materialoj ankaŭ povas konservi ilian funkcion.Tial oni kredas, ke la efektivigo de ĉi tiuj strategioj post pilota studo povas redukti kostojn.
Nukleacido-testado sur mikrofluidaj platformoj ofte uzas malgrandajn provvolumojn (< 100 µl), tial postulas plifortigon de la celaj nukleaj acidoj per specifaj enketoj por konvertiĝo al signalo kiu estas oportuna por kontraŭflua detekto (optika, elektra, kaj magneta) [53, 54]. Nukleacido-testado sur mikrofluidaj platformoj ofte uzas malgrandajn provvolumojn (< 100 µl), tial postulas plifortigon de la celaj nukleaj acidoj per specifaj enketoj por konvertiĝo al signalo kiu estas oportuna por kontraŭflua detekto (optika, elektra, kaj magneta) [53, 54]. При тестировании нуклеиновых кислот на микрожидкостных платформах часто используются небольшие объемы образцов (< 100 мкл), поэтому требуется амплификация целевых нуклеиновых кислот с помощью специальных зондов для преобразования в сигнал, удобный для последующего обнаружения (оптического, электрического и магнитного) [53, 54]. Dum testado de nukleaj acidoj sur mikrofluidaj platformoj, malgrandaj specimenaj volumoj (<100 µL) estas ofte uzataj, do la plifortigo de celaj nukleaj acidoj per specialaj enketoj estas postulata por konverti ĝin en signalon oportuna por posta detekto (optika, elektra kaj magneta) [53, 54].微流控 平台 上 的 核酸 检测 通常 使用 小样本量 （<100 µl） ， 因此 需要 使用 特定 探针 扩增 目标 核酸 ， 以 转换 为 便于 下游 （（光学 、 电学 和 磁学） 信号 [53, 54 ]。微流控 平台 上 的 核酸 检测 使用 小样本量 （（<100 µl） ， 因此 需要 特定 探针 扩增 目标 ， 以 转换 为 下游 下游 （、 电学 磁学） 的 信号 [53, 54, 54, 54 ]。 Обнаружение нуклеиновых кислот на микрожидкостных платформах обычно использует небольшие объемы образцов (<100 мкл), что требует амплификации целевых нуклеиновых кислот с помощью специальных зондов для преобразования в сигналы для последующего обнаружения (оптического, электрического и магнитного) [53, 54]]. Detekto de nukleaj acidoj sur mikrofluidaj platformoj kutime uzas malgrandajn specimenajn volumojn (<100 μl), kio postulas plifortigon de celaj nukleaj acidoj per specialaj enketoj por konverti ilin en signalojn por posta detekto (optika, elektra kaj magneta) [53, 54]] .Plifortigo de nuklea acido en mikrofluido ankaŭ povas akceli reagojn, optimumigi detektajn limojn, redukti specimenajn postulojn kaj plibonigi detektan precizecon [55, 56].En la lastaj jaroj, kun la realigo de rapida kaj preciza detekto, diversaj nukleaacidaj plifortigaj metodoj estis aplikitaj en mikrofluidiko, inkluzive de PCR kaj kelkaj izotermaj plifortigaj reagoj.Ĉi tiu sekcio resumos metodojn por nuklea acida detekto bazita sur mikrofluidaj sistemoj.
PCR estas simulado de la DNA-reproduktadprocezo de organismo, kies teorio estas priskribita detale aliloke kaj ne estos diskutita ĉi tie.PCR povas plifortigi tre malgrandan kvanton de cela DNA/RNA kun eksponenta rapideco, igante PCR potenca ilo por la rapida detekto de nukleaj acidoj.En la lastaj jardekoj, multaj porteblaj mikrofluidaj aparatoj ekipitaj per PCR-termikaj biciklaj sistemoj estis evoluigitaj por renkonti la bezonojn de prizorgaj diagnozoj [57, 58].Sur-blato PCR povas esti dividita en kvar tipojn (konvencia, kontinua fluo, space ŝanĝita, kaj konvekta PCR) laŭ malsamaj temperaturkontrolmetodoj [59].Ekzemple, Gee et al.[60] evoluigis rektan inversan transskriban kvantan PCR (RT-qPCR) metodon sur sia propra mikrofluida platformo por la multipleksa detekto de SARS-CoV-2, gripo A kaj B-virusoj en gorĝaj swabprovaĵoj (Fig. 3a).Park et al.[61] konstruis simplan patogenan analizpeceton integrante maldikan filmon PCR, elektrodojn, kaj fingro-funkciigitan polidimetilsiloksan-bazitan mikrofluidan modulon.Tamen, ambaŭ verkoj enkorpigas la komunajn mankojn de konvencia PCR.PCR postulas termikan bicikladon, kiu limigas plian aparaton miniaturigon kaj reduktitan testan tempon.
La evoluo de kontinua fluo bazita mikrofluida kaj spac-ŝanĝita PCR estas kritika por trakti tiun temon.Uzante longan serpentan kanalon aŭ mallongan rektan kanalon, kontinua fluo PCR povas disponigi rapidan plifortigon aktive cirkulante reakciiloj en tri antaŭvarmigaj zonoj per ekster-ĉipa pumpilo.Ĉi tiu operacio sukcese evitas la transiran fazon inter malsamaj reakciaj temperaturoj kaj tiel signife reduktas la testan tempon [62] (Fig. 3b).En alia studo de Jung et al.[63] proponis novan rotacian PCR-genetikan analizilon, kiu kombinas la karakterizaĵojn de fiksa kaj flua PCR por ultrarapida kaj multipleksa inversa transskribo PCR (Fig. 3c).Por plifortigo de nuklea acido, la PCR-mikroĉipo estos rotaciita tra tri hejtblokoj ĉe malsamaj temperaturoj: 1. Sennaturbloko 94 °C, 2. Analing-bloko je 58 °C, 3. Vastbloko je 72 °C.
Apliko de PCR en mikrofluidiko.Skema reprezentado de dirRT-qPCR sur mikrofluida platformo (adaptita de [60]).b Skema reprezentado de kontinua fluo PCR-mikroarray bazita sur serpentina kanalo (adaptita de [62]).c Skema reprezentado de rotacia PCR-genetika analizilo, konsistanta el mikroĉipo, tri hejtblokoj kaj paŝomotoro (adaptita de [63]).d Diagramo de termokonvekcia PCR kun centrifugado kaj aranĝo (adaptita de [64]).DirRT-qPCR, rekta kvanta inversa transskriba polimeraza ĉenreago
Uzante kapilarojn kaj buklojn aŭ eĉ maldikajn platojn, konvekcia PCR povas rapide plifortigi nukleajn acidojn per natura libera termika konvekcio sen la bezono de ekstera pumpilo.Ekzemple, cikla olefina polimero mikrofluida platformo estis evoluigita sur fabrikita turnanta hejta stadio kiu uzas termikan bicikladon kun centrifugado en PCR-buklomikrokanalo [64] (Fig. 3d).La reagsolvo estas movita per termika konvekcio, kiu kontinue interŝanĝas altan kaj malaltan temperaturon en mikrokanalo kun ringforma strukturo.La tuta plifortiga procezo povas esti kompletigita en 10 minutoj kun detekta limo de 70.5 pg/kanalo.
Kiel atendite, rapida PCR estas potenca ilo por plene integraj specimen-respondaj molekulaj diagnozaj kaj multipleksaj analizsistemoj.Rapida PCR signife reduktas la tempon necesan por detekti SARS-CoV-2, kio kontribuas al efika kontrolo de la COVID-19-pandemio.
PCR postulas kompleksan termociklilon kiu ne taŭgas por POCT.Pli lastatempe, izotermaj plifortigaj teknikoj estis aplikitaj al mikrofluidikoj, inkluzive de sed ne limigitaj al LAMP, rekombinaza polimeraza plifortigo (RPA), kaj plifortigo bazita sur nukleaj acidaj sekvencoj [65,66,67,68].Kun ĉi tiuj teknikoj, nukleaj acidoj estas plifortigitaj ĉe konstanta temperaturo, faciligante la kreadon de malmultekostaj, tre sentemaj porteblaj POCT-aparatoj por molekula diagnozo.
Altproduktaj mikrofluidik-bazitaj LAMP-analizoj permesas multoblan detekton de infektaj malsanoj [42, 69, 70, 71].En kombinaĵo kun centrifuga mikrofluida sistemo, LAMP povas plu faciligi la aŭtomatigon de nuklea acida detekto [69, 72, 73, 74, 75].La spin-kaj-reakta SlipChip estis evoluigita por la vida detekto de multoblaj paralelaj bakterioj uzante LAMPON [76] (Fig. 4a).Kiam oni uzis optimumigitan LAMPON en la analizo, la fluoreskeca signalo-bruo-proporcio estis proksimume 5-obla, kaj la detekta limo atingis 7.2 kopiojn/μl de genoma DNA. Krome, la ekzisto de kvin oftaj digestaj bakteriaj patogenoj, inkluzive de Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvialis kaj Vibrio parahaemolyticus, estis bildigita surbaze de la metodo en < 60 min. Krome, la ekzisto de kvin oftaj digestaj bakteriaj patogenoj, inkluzive de Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvialis kaj Vibrio parahaemolyticus, estis bildigita surbaze de la metodo en < 60 min.Krome, la ĉeesto de kvin komunaj bakteriaj patogenoj de la digesta vojo, inkluzive de Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvialis kaj Vibrio parahaemolyticus, estis bildigita uzante ĉi tiun metodon en malpli ol 60 minutoj.此外 ， 基于 该 方法 在 <60 分钟 内 可 视化 了 五 种 常见 消化道 细菌病 原体 的 存在 ， 包括 蜡状 芽孢杆菌 、 大 、 肠 沙门 氏 菌 、 河流 和 副溶血性 弧菌。此外 ， 基于 该 方法 在 <60 分钟 内 视化 了 五 种 常见 消化道 细菌病 的 存在 ， 包括 芽孢杆菌 、 大 肠杆菌 、 肠 菌 、 弧菌 和 副溶血 性 。。。 弧菌 弧菌 弧菌 氏 、 弧菌 和 副溶血 。。。 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 氏 、 弧菌 和 性 。。。 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 氏 菌 弧菌 和 性 。。。 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 菌 菌 菌 菌 性 弧菌 弧菌 弧菌.弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 弧菌 HIPKrome, la ĉeesto de kvin komunaj bakteriaj gastro-intestaj patogenoj, inkluzive de Bacillus cereus, Escherichia coli, Salmonella enterica, Vibrio fluvius, kaj Vibrio parahaemolyticus, estis bildigita uzante tiun metodon en malpli ol 60 minutoj.
La avantaĝoj de LAMPO en mikrofluidiko inkludas, inter aliaj, rapidan respondon kaj miniaturigitan detekton.Tamen, pro la reagtemperaturo (ĉirkaŭ 70 °C), aerosoloj estas neeviteble generitaj dum LAMPO, rezultigante altan malveran pozitivan indicon.Analiza specifeco, komenca dezajno kaj temperaturkontrolo ankaŭ devas esti optimumigitaj por LAMPO.Krome, pecetdezajnoj kiuj efektivigas multoblan celdetekton sur ununura blato estas de granda valoro kaj devus esti evoluigitaj.Krome, LAMPO taŭgas por multcela detekto integrita en unu blato, kio estas tre grava, sed ankoraŭ estas multe da loko por disvolviĝo.
La alta falsa pozitiva indico de LAMPO povas esti parte reduktita kun RPA, ĉar la relative malalta reagtemperaturo (~37 °C) rezultigas relative malmultajn vaporiĝproblemojn [77].En la RPA-sistemo, du kontraŭaj enkondukoj iniciatas DNA-sintezon per ligado al rekombinazo kaj plifortigo povas esti kompletigita ene de 10 minutoj [78,79,80,81].Tial, la tuta RPA-procezo estas multe pli rapida ol PCR aŭ LAMPO.En la lastaj jaroj, mikrofluida teknologio pruviĝis plu plibonigi la rapidecon kaj precizecon de RPA [82,83,84].Ekzemple, Liu et al.[85] evoluigis mikrofluidan integran lateralan fluon polimerase rekombinazan plifortigan analizon por rapida kaj sentema detekto de SARS-CoV-2 per integrado de inversa transskribo RPA (RT-RPA) kaj universala lateralflua teststriodetektosistemo.en ununuran mikrofluidan sistemon.Figuro 4b).La limo de detekto estas 1 kopio/µl aŭ 30 kopioj/provaĵo, kaj detekto povas esti kompletigita en proksimume 30 minutoj.Kong et al.evoluigis porteblan mikrofluidan aparaton.[86] uzis korpotemperaturon kaj poŝtelefon-bazitan fluoreskecan detektsistemon por rapide kaj rekte detekti HIV-1 DNA uzante RPA (Figuro 4c).La portebla RPA-analizo detektas 100 kopiojn/mL de la celsekvenco ene de 24 minutoj, montrante grandan potencialon por rapida diagnozo de HIV-1-infektitaj beboj en rimed-limigitaj agordoj.
Izoterma plifortigo en punkto-de-prizorgtestado (POCT).Disvolviĝo kaj produktado de spino kaj reago SlipChip.Post plasmoveldado, la supraj kaj malsupraj fritoj estis kunvenitaj kun aro de nuksoj por formi la finan blaton (adaptitan de [76]).b Skemo de la MI-IF-RPA-sistemo por COVID-19-detekto (adaptita de [85]).c Skemo de portebla RPA-testo por rapida detekto de HIV-1 DNA (adaptita de [86]).SE Salmonella enterica , VF Vibrio fluvius , VP Vibrio parahaemolyticus , BC Bacillus cereus , EC Escherichia coli , FAM karboksifluoresceino , homa imunodeficita viruso HIV , RPA rekombinaza polimerazoplifortigo , LED lumelsenda diodo , MI-IF-RPA Integrated Microfluterdic Polymerase Rekombinazo F. Plifortigo
Microfluidic-bazita RPA evoluas rapide, tamen, la kosto de blatfabrikado kaj reagkonsumo estas tro alta kaj devas esti reduktita por pliigi la haveblecon de ĉi tiu teknologio.Krome, la alta sentemo de RPA povas influi la plifortigon de nespecifaj produktoj, precipe en la ĉeesto de poluado.Tiuj limigoj povas influi la aplikon de RPA en mikrofluidaj sistemoj kaj meriti plian optimumigon.Bone dizajnitaj enkondukoj kaj enketoj por diversaj celoj ankaŭ estas necesaj por plibonigi la fareblecon de RPA-bazitaj mikrofluidaj strategioj en POCT.
Cas13 kaj Cas12a havas la kapablon hazarde fendi nukleajn acidojn kaj tiel povas esti evoluigitaj kiel detekto kaj diagnozaj iloj.Cas13 kaj Cas12a estas aktivigitaj sur ligado al cela DNA aŭ RNA, respektive.Post kiam aktivigite, la proteino komencas fendi aliajn proksimajn nukleajn acidojn, post kiuj gvidaj RNA'oj celantaj patogen-specifajn nukleajn acidojn povas fendi estigitajn fluoreskajn enketojn kaj liberigi fluoreskecon.Surbaze de tiu teorio, Kellner et al.[87] evoluigis Cas13-bazitan metodon [Specifika High-sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKING (SHERLOCK)], kaj Broughton et al.[88] evoluigis alian aliron bazitan sur Cas12a [CRISPR Trans Reporter celanta DNA-endonukleazon (DTECR)].
En la lastaj jaroj, diversaj metodoj por la detekto de nukleaj acidoj bazitaj sur CRISPR aperis [89, 90].Konvenciaj CRISPR bazitaj metodoj ofte estas tempopostulaj kaj laborintensaj pro multoblaj proceduroj inkluzive de nukleaacida ekstraktado, plifortigo kaj CRISPR-detekto.Eksponiĝo de likvaĵoj al aero povas pliigi la eblecon de falsaj pozitivaj rezultoj.Konsiderante la supre, CRISPR-bazitaj sistemoj estas tre bezonataj de optimumigo.
Pneŭmatike kontrolita mikrofluida platformo, kiu povas plenumi 24 analizojn paralele, estis evoluigita por detektaj aplikoj CRISPR-Cas12a kaj CRISPR-Cas13a [91].La sistemo estas ekipita per fluoreskeca detekta aparato, kiu preteriras la plifortigon de nuklea acido kaj aŭtomate detektas specimenojn de femtomolar DNA kaj RNA.Chen et al.[92] integra rekombinaza plifortigo kun la CRISPR-Cas12a sistemo en centrifuga mikrofluidiko (Fig. 5a).Ĉi tiu laboro venkas la malfacilecon integri ĉi tiujn du procezojn ĉar Cas12a povas digesti mesaĝan DNA kaj malhelpi la plifortigan procezon.Krome, Chen et al.[92] plie antaŭ-stokis la reakciakcilojn en centrifuga mikrofluida kontrolo por aŭtomate kompletigi la tutan procezon.En alia laboro, Silva et al.[93] evoluigis diagnozan metodon sen CRISPR/Cas12a plifortigo kaj inteligenta telefono por detekti SARS-CoV-2 (Fig. 5b).Ĉi tiu provo, konata kiel poŝtelefon-bazita plifortiga senpaga sistemo, inkluzivas CRISPR/Cas-dependan enzimon, kiu baziĝas sur inteligenta bildigo de katalaz-generitaj veziksignaloj en mikrofluidaj kanaloj.Sentema detekto de malpli ol 50 kopioj/µl de nuklea acido sen antaŭ-amplificado, la tuta procezo de specimena injekto ĝis signala legado daŭras nur 71 minutojn.
Nukleacidaj detektaj metodoj bazitaj sur CRISPR.Centrifuga POCT por integra molekula diagnozo bazita sur CRISPR (adaptita de [92]).b Disvolviĝo de la CASCADE-testo por inteligenta telefono bazita analizo de SARS-CoV-2 (adaptita de [93]).RAA-rekombinazplifortigo, PAM apuda protospacerĉeftemo, CRISPR buligitaj mallongaj palindromaj ripetoj je regulaj intervaloj, CASCADE-sistemo sen poŝtelefonplifortigo kun CRISPR/CAS-dependaj enzimoj, 1-etil-3-[3-dimetilaminopropil] carbodiimida hidroklorido EDC
Kiel la lasta paŝo en nuklea acida detekto, signala detekto rekte reflektas diagnozajn rezultojn kaj estas kritika faktoro en la evoluo de efika, sentema kaj preciza POCT.Signaloj povas esti legitaj uzante diversajn metodojn kiel fluoreskaj, elektrokemiaj, kolorimetriaj kaj magnetaj strategioj.En ĉi tiu sekcio, ni priskribas la raciaĵon por ĉiu aliro kaj komparas la molekulan diagnozon de infektaj malsanoj en mikrofluidiko.
Fluoreskecaj strategioj estas vaste uzataj por POCT-diagnozo de infektaj malsanoj pro siaj rimarkindaj avantaĝoj de bonega sentemo, malalta kosto, facileco de operacio kaj prizorga analizo [94, 95].Tiuj strategioj uzas etikeditajn fluoroforojn kiel ekzemple fluoreskaj tinkturfarboj kaj nanomaterialoj por krei konstateblan signalon (fluoreskeca plibonigo aŭ estingo).Ĉi tiu trovo sugestas, ke fluoreskecaj strategioj povas esti dividitaj en rekta fluoreska etikedado, signalo-sur kaj signal-for-fluoreska detekto [96].Rekta fluoreska etikeddetekto uzas specialajn fluoreskajn etikedojn por etikedi specifajn Perantojn kiuj generas specifan kvanton de fluoreskeco kiam selekteme ligite al celo.Por signal-bazita fluoreskecdetekto, la kvalito de la fluoreska signalo estas pozitive rilatita al la signifo de intereso.Fluoreskecintenseco estas nekonsiderinda en la foresto de celo kaj estas konstatebla kiam sufiĉa kvanto de celo ĉeestas.Inverse, la intenseco de fluoreskeco detektita per "signal-for" fluoreskeco estas inverse proporcia al la kvanto de celo, komence atingante maksimuman valoron kaj iom post iom malpliiĝante kiam la celo estas pligrandigita.Ekzemple, uzante la CRISPR-Cas13a cel-dependan trans-fendan mekanismon, Tian et al.[97] evoluigis novan rekonstrategion por detekti RNAojn kiuj preteriras inversan transskribon rekte (Fig. 6a).Sur ligado al komplementaj celaj RNAoj, la CRISPR-Cas13-RNA-komplekso povas esti aktivigita, ekigante transflankan fendon per nespecifaj raportisto-RNAoj.La fluoreske etikedita raportisto [fluoroforo (F)] estas estingita per la estingilo (Q) sendifekta kaj fluoreska kiam fendita per la aktivigita komplekso.
La avantaĝo de elektrokemia detekto estas alta detekta rapido, facila produktado, malalta kosto, facile porti kaj aŭtomata kontrolo.Ĝi estas potenca analiza metodo por POCT-aplikoj.Surbaze de grafenaj kampefikaj transistoroj Gao et al.[98] evoluigis nanobiosensorilon por la plurksa detekto de Lyme-malsanantigenoj de Borrelia burgdorferi bakterioj kun detektlimo de 2 pg/mL (Fig. 6b).
Kolorimetriaj analizoj estis uzitaj en POCT-aplikoj, profitante el la avantaĝoj de porteblo, malalta kosto, facileco de preparado kaj vida legado.Kolorimetria detekto povas uzi la oksigenadon de peroksidazo aŭ peroksidaz-similaj nanomaterialoj, la agregadon de nanomaterialoj, kaj la aldonon de indikilaj tinkturfarboj por konverti informojn pri la ĉeesto de celaj nukleaj acidoj en videblajn kolorŝanĝojn [99, 100, 101].Precipe, oraj nanopartikloj estas vaste uzitaj en la evoluo de kolorimetriaj strategioj, kaj pro sia kapablo indukti rapidajn kaj signifajn kolorŝanĝojn, ekzistas kreskanta intereso en la evoluo de POCT-kolorometriaj platformoj por surloka diagnozo de infektaj malsanoj [102].Kun integra centrifuga mikrofluida aparato [103], nutraĵtransportitaj patogenoj en poluitaj laktoprovaĵoj povas esti aŭtomate detektitaj je la nivelo de 10 bakteriaj ĉeloj, kaj la rezultoj povas esti legitaj vide ene de 65 minutoj (Fig. 6c).
Magnetaj sentaj teknikoj povas precize detekti analizojn uzante magnetajn materialojn, kaj ekzistas signifa intereso en POCT-aplikoj en la lastaj jardekoj.Magnetaj sentteknikoj havas kelkajn unikajn avantaĝojn kiel ekzemple malaltkostaj magnetaj materialoj prefere ol multekostaj optikaj komponentoj.Tamen, la uzo de magneta kampo plibonigas detektan efikecon kaj reduktas specimenan prepartempon [104].Krome, la rezultoj de magneta sondado montras altan specifecon, sentemon kaj altan signal-al-bruo-proporcion pro la sensignifa magneta fonsignalo de biologiaj specimenoj [105].Sharma et al.integris magnetan tunelkrucvojon bazitan biosensilon en porteblan mikroĉipplatformon.[106] por multeksa detekto de patogenoj (Fig. 6d).Biosensiloj senteme detektas subnanomolarajn nukleajn acidojn izolitajn de patogenoj.
Tipa signala detekta metodo.La koncepto de hiperlokigita detekto de Cas13a (adaptita de [97]).b Grafennanobiosensilo FET en kombinaĵo kun Lyme GroES scFv (adaptita de [98]).c Kolorimetriaj indikoj por multeksa detekto de nutraĵportitaj patogenoj en centrifuga mikrofluida blato: n-ro 1 kaj n-ro 3 provaĵoj kun celpatogenoj, kaj n-ro 2, n-ro 4 kaj n-ro 5 provaĵoj sen celpatogenoj (adaptite de [103]) .d Biosensilo surbaze de magneta tunelkrucvojo, inkluzive de platformo, enkonstruita blokamplifilo, kontrolunuo, kaj elektroprovizo por signalgenerado/akiro (adaptita de [106]).GFET Grafeno FET, Escherichia coli, Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes, PC PC, PDMS Dimethicone, PMMA polimetilmetacrilato
Malgraŭ la bonegaj trajtoj de ĉi-supraj detektaj metodoj, ili ankoraŭ havas malavantaĝojn.Ĉi tiuj metodoj estas komparitaj (tabelo 1), inkluzive de kelkaj aplikoj kun detaloj (profitoj kaj malavantaĝoj).
Kun la disvolviĝo de mikrofluidiko, mikroelektromekanikaj sistemoj, nanoteknologio kaj materiala scienco, la uzo de mikrofluidaj blatoj por la detekto de infektaj malsanoj konstante progresas [55,96,107,108].Preciza manipulado de miniaturaj ekipaĵoj kaj fluidoj kontribuas al diagnoza precizeco kaj kostefikeco.Tial, por plua evoluo, klopodoj estis faritaj por optimumigi kaj ĝisdatigi la blatojn, rezultigante diversajn mikrofluidajn blatojn kun malsamaj strukturoj kaj funkcioj.Ĉi tie ni mallonge enkondukas plurajn komunajn specojn de mikrofluidaj platformoj kaj komparas iliajn trajtojn (profitoj kaj malavantaĝoj).Krome, la plej multaj el la ekzemploj listigitaj sube temigas ĉefe kontraŭbatali SARS-CoV-2.
LOCCoj estas la plej oftaj miniaturigitaj kompleksaj analizaj sistemoj kaj iliaj operacioj estas tre miniaturigitaj, integritaj, aŭtomatigitaj kaj paraleligitaj de specimena injekto kaj preparado, fluoregado kaj likva detekto [109, 110].Likvaĵoj estas manipulitaj per zorge dizajnita geometrio kaj la interagado de multaj fizikaj efikoj kiel ekzemple premgradientoj, kapilara ago, elektrodinamiko, magnetaj kampoj kaj akustikaj ondoj [111].LOCC montras bonegajn avantaĝojn en alt-trafia kribrado kaj multobla detekto, kun rapida analiza rapideco, malgranda specimena grandeco, malalta energikonsumo kaj alta administrado kaj operacia efikeco;tamen, LOCC-aparatoj estas tre delikataj, kaj fabrikado, pakado kaj interfacado.Tamen, multipleksado kaj reuzo alfrontas enormajn malfacilaĵojn [96].Kompare kun aliaj platformoj, LOCC havas unikajn avantaĝojn laŭ maksimuma aplika diverseco kaj plej bona teknologia kongruo, sed ĝiaj malavantaĝoj ankaŭ estas evidentaj, nome alta komplekseco kaj malbona ripeteblo.Dependeco de eksteraj pumpiloj, kiuj ofte estas volumenaj kaj multekostaj, plue limigas ilian uzon en POCT.
Dum la ekapero de COVID-19, LOCC ricevis multe da atento.Samtempe, ekzistas pluraj novaj blatoj, kiuj kombinas plurajn teknologiojn.Ekzemple, dolortelefonoj nun estas vaste uzataj kiel porteblaj analizaj aparatoj kaj havas grandan potencialon por LOCC-integriĝo.Sun et al.[21] fabrikis mikrofluidan blaton kiu permesas multipleksi specifajn nukleajn acidsekvencojn de kvin patogenoj, inkluzive de SARS-CoV-2, uzante LAMPON kaj analizis ilin uzante inteligentan telefonon ene de 1 horo post la fino de la reago.Kiel alia ekzemplo, Sundah et al.[112] kreis molekulan ŝaltilon [katalizan plifortigon per molekula transira ŝtatŝaltilo (CATCH)] por rekta kaj sentema detekto de SARS-CoV-2 RNA-celoj uzantaj dolortelefonojn. CATCH estas kongrua kun portebla LOCC kaj atingas superan rendimenton (ĉirkaŭ 8 RNA-kopioj/μl; < 1 h ĉe ĉambra temperaturo) [112]. CATCH estas kongrua kun portebla LOCC kaj atingas superan rendimenton (ĉirkaŭ 8 RNA-kopioj/μl; < 1 h ĉe ĉambra temperaturo) [112]. CATCH совместим с портативным LOCC и обеспечивает превосходную производительность (примерно 8 копий РНК/мкл; < 1 ч при комнатной температуре) [112]. CATCH estas kongrua kun portebla LOCC kaj disponigas bonegan trairon (ĉirkaŭ 8 RNA-kopiojn/µl; < 1 h ĉe ĉambra temperaturo) [112]. CATCH 与便携式LOCC 兼容并具有卓越的性能（大约8 RNA 拷贝/μl；室温下< 1 小时）[112]。 CATCH 与便携式LOCC 兼容并具有卓越的性能（大约8 RNA 拷贝/μl；室温下< 1 小时）[112]。 Kaptu совместим с портативными Locc и обладает превосходной производиттй к к к к к к к к к 3. CATCH estas kongrua kun porteblaj LOCC-oj kaj havas bonegan efikecon (ĉirkaŭ 8 RNA-kopioj/µl; < 1 horo ĉe ĉambra temperaturo) [112].Krome, LOCC-aparatoj por molekula diagnozo ankaŭ uzas kelkajn movajn fortojn kiel vakuo, streĉado kaj elektraj kampoj.Kang et al.[113] montris realtempan, ultrarapidan nanoplasmon-sur-peceton PCR por rapida kaj kvanta diagnozo de COVID-19 sur la kampo uzante vakuan plasmonian likvan PCR-peceton.Li et al.[114] poste evoluigis streĉ-movitan mikrofluidan blaton kiu ebligis la diagnozon de COVID-19.La platformo uzas la plifortigan sistemon RT-LAMP por determini ĉu specimeno estas kvalite pozitiva aŭ negativa.Poste, Ramachandran et al.[115] realigis konvenajn elektrajn kampajn gradientojn uzantajn izotakoforezon (ITP), selekteman jon-fokusan teknikon efektivigitan en mikrofluidiko.Kun ITP, cela RNA de krudaj nazofaringaj swabprovaĵoj povas esti aŭtomate purigita.Tiam Ramachandran et al.[115] Kombinante tiun ITP-purigon kun ITP-plifortigita LAMPO kaj CRISPR-analizoj detektis SARS-CoV-2 en homa nazofaringa swab kaj klinikaj specimenoj en proksimume 35 minutoj.Krome, novaj ideoj konstante aperas.Jadhav et al.[116] proponis diagnozan skemon bazitan sur surfac-plifortigita Raman-spektroskopio en kombinaĵo kun mikrofluida aparato enhavanta aŭ vertikale orientitan oron/arĝent-tegitajn karbon nanotubojn aŭ forĵeteblajn elektroŝpinitajn mikro/nanotubojn.Membran-funkciigitaj enkonstruitaj filtrilaj mikrokanaloj estas foruzeblaj.La aparato adsorbas virusojn de diversaj korpaj fluidoj/eksudaĵoj kiel salivo, nazofaringo kaj larmoj.Tiel, la virustitolo estas abunda kaj la viruso povas esti precize identigita per la Raman-signaturo.
ŜARĜO estas centrifuga mikrofluida platformo en kiu ĉiuj procezoj estas kontrolitaj per frekvenca protokolo, kiu rotacias mikrostrukturitan substraton [110].La LOAD-aparato estas karakterizita per uzado de centrifuga forto kiel grava mova forto.Likvaĵoj ankaŭ estas submetataj al kapilaraj, Euler kaj Coriolis-fortoj.Uzante centrifugilon, analizoj estas faritaj en kontinua likva operacio de radiala enen al ekstera pozicio, forigante la bezonon de kroma ekstera tubo, pumpiloj, aktuarioj kaj aktivaj valvoj.Mallonge, ununura kontrolmetodo simpligas operacion.La fortoj agantaj sur la likvaĵo en la sama mikrofluida kanalo je la sama distanco de la ŝarĝcentro estas egalaj, kio ebligas ripeti la kanalstrukturon.Tiel, LOAD-ekipaĵo estas pli simpla kaj pli ekonomia por dizajni kaj fabriki ol konvenciaj LOCC-ekipaĵoj, dum la reagoj estas plejparte sendependaj kaj paraleligitaj;tamen, pro la alta mekanika forto de centrifuga ekipaĵo, disponebla blatmaterialo estas limigita kaj malgrandaj volumoj estas malfacilaj.al la aŭtomobilo.Samtempe, la plej multaj LOAD-aparatoj estas dezajnitaj nur por unuuza uzo, kio estas multekosta por grandskala detekto [96, 117, 118, 119].
En la lastaj jardekoj, LOAD, konsiderita unu el la plej esperigaj mikrofluidaj aparatoj, ricevis konsiderindan atenton de esploristoj kaj produktantoj.Tiel, LOAD akiris larĝan akcepton kaj estis uzata por molekula diagnozo de infektaj patogenoj [120, 121, 122, 123, 124], precipe dum la ekapero de COVID-19.Ekzemple, fine de 2020, Ji et al.[60] montris rektan RT-qPCR-analizon por rapida kaj aŭtomatigita paralela detekto de SARS-CoV-2 kaj gripo A kaj B-infektoj en gorĝaj ŝablaj specimenoj.Tiam Xiong et al.[74] prezentis LAMP-integran diskoidan mikrofluidan platformon por rapida, preciza kaj samtempa detekto de sep homaj spiraj koronavirusoj, inkluzive de SARS-CoV-2, ene de 40 minutoj.Frue en 2021, de Oliveira et al.[73] montris polistirenan toner centrifugan mikrofluidan blaton, mane funkciigitan per fingropinta rotaciilo, por RT-LAMP molekula diagnozo de COVID-19.Poste, Dignan et al.[39] prezentis aŭtomatigitan porteblan centrifugan mikroaparaton por purigo de SARS-CoV-2 RNA rekte de buŝaj swabsekcioj.Medved et al.[53] proponis enlinian SARS-CoV-2 aerosol-specimensistemon kun malgranda volumeno rotacianta mikrofluidan fluoreskan peceton kun detektlimo de 10 kopioj/μL kaj minimuma ciklosojlo de 15 minutoj.Suarez et al.[75] lastatempe raportis la evoluon de integra modula centrifuga mikrofluida platformo por la rekta detekto de SARS-CoV-2 RNA en varmo-malaktivigitaj nazofaringaj swabprovaĵoj uzantaj LAMPON.Ĉi tiuj ekzemploj montras la grandajn avantaĝojn kaj promeson de LOAD en la molekula diagnozo de COVID-19.
En 1945 Muller kaj Clegg [125] unue prezentis mikrofluidajn kanalojn sur papero uzante filtrilpaperon kaj parafinon.En 2007, la Whitesides-grupo [126] kreis la unuan funkcian paperplatformon por proteino kaj glukozotestado.Papero fariĝis ideala substrato por mikrofluidiko.La papero havas proprajn proprietojn kiel hidrofileco kaj pora strukturo, bonega biokongrueco, malpeza pezo, fleksebleco, faldebleco, malalta kosto, facileco de uzo kaj oportuno.Klasikaj µPADoj konsistas el hidrofilaj/hidrofobaj strukturoj konstruitaj sur papersubstratoj.Depende de la tridimensia strukturo, μPADoj povas esti dividitaj en dudimensiajn (2D) kaj tridimensiajn (3D) μPADojn.2D µPAD-oj estas produktitaj formante hidrofobajn limojn por formi mikrofluidajn kanalojn, dum 3D µPAD-oj estas kutime faritaj de stakoj de tavoloj de 2D mikrofluida papero, foje per paperfaldado, glitteknikoj, malfermaj kanaloj, kaj 3D printado [96].Akvaj aŭ biologiaj fluidoj sur la μPAD estas ĉefe kontrolitaj per kapilara forto sen ekstera energifonto, faciligante antaŭstokadon de reakciiloj, provaĵmanipuladon, kaj plurkindetekto.Tamen, preciza fluo-kontrolo kaj plurksa detekto estas malhelpitaj de nesufiĉa detekta rapideco, sentemo kaj reuzebleco [96, 127, 128, 129, 130].
Kiel nekutima mikrofluida platformo, μPAD estis vaste antaŭenigita kaj evoluigita por la molekula diagnozo de infektaj malsanoj kiel HCV, HIV kaj SARS-CoV-2 [131, 132].Por selektema kaj sentema detekto de HCV, Tengam et al.[133] evoluigis novan biosensilon bazitan sur fluoreska papero uzanta tre specifan nukleacidsondon bazitan sur pirolidinilpeptido.Nukleaj acidoj estas kovalente senmovigitaj sur parte oksigenita celuloza papero per reduktiva alkiligo inter aminogrupoj kaj aldehidogrupoj, kaj detekto estas bazita sur fluoreskeco.Ĉi tiuj signaloj povas esti legitaj per speciale farita aparato kun portebla fluoreska fotilo en kombinaĵo kun poŝtelefonfotilo.Poste, Lu et al.[134] dizajnis paper-bazitan flekseblan elektrodon bazitan sur nikelo/ornanopartikloj/karbonnanotuboj/polivinilalkoholaj organometalaj kadrokunmetaĵoj por HIV-celdetekto per DNA-hibridigo utiliganta metilenbluon kiel DNA-redoksindikan indikilon.Pli lastatempe, Chowdury et al.[135] prezentis hipotezan platformdezajnon por prizorga µPAD-testado uzante krudan paciencan salivon en kombinaĵo kun LAMP kaj portebla bildiga teknologio por COVID-19-analito-detekto.
Flankaj fluotestoj gvidas fluidojn de kapilaraj fortoj kaj kontrolas fluidan movadon per la malsekigeblo kaj karakterizaĵoj de poraj aŭ mikrostrukturitaj substratoj.La flankaj fluaparatoj konsistas el specimeno, konjugacio, inkubatoro kaj detekto, kaj sorbaj kusenetoj.La nukleaacidomolekuloj en la LFA rekonas specifajn ligilojn kiuj estas antaŭ-stokitaj ĉe la ligloko kaj ligas kiel kompleksoj.Ĉar la likvaĵo pasas tra la kovado- kaj detektaj platoj, la kompleksoj estas kaptitaj de la kaptaj molekuloj situantaj sur la test- kaj kontrollinioj, montrante rezultojn, kiuj povas esti legitaj rekte al la nuda okulo.Tipe, LFA povas esti kompletigita en 2-15 minutoj, kio estas pli rapida ol tradicia malkovro.Pro la speciala mekanismo, LFA postulas malmultajn operaciojn kaj ne postulas kroman ekipaĵon, kio faras ĝin tre amika.Estas facile fabriki kaj miniaturigi, kaj la kosto de paper-bazitaj substratoj estas pli malalta.Tamen, ĝi estas nur uzata por kvalita analizo, kaj kvanta detekto estas tre malfacila, kaj la multiplekskapablo kaj trafluo estas tre limigitaj, kaj nur unu sufiĉa nuklea acido povas esti detektita samtempe [96,110,127].
Kvankam la plej multaj aplikoj de LFA estas koncentritaj al imunoanalizoj, la uzo de LFA por molekula diagnozo en mikrofluidaj blatoj ankaŭ estas efika kaj populara [136].En la kazo de viruso de hepatito B, HIV kaj SARS-CoV-2 LFA Gong et al.[137] proponis supren-konvertitan nanopartiklan LFA-platformon kaj montris la ĉiuflankecon de tiu miniaturigita kaj portebla platformo tra sentema kaj kvanta detekto de multoblaj celoj kiel ekzemple HBV-nukleacido.Krome, Fu et al.[138] montris novan LFA bazitan sur surfac-plifortigita Raman-spektroskopio por la kvanta analizo de HIV-1 DNA ĉe malaltaj koncentriĝoj.Por rapida kaj sentema detekto de SARS-CoV-2, Liu et al.[85] evoluigis mikrofluid-integran RPA-flankan fluanalizon kombinante RT-RPA kaj universalan lateralan fluan detektsistemon en ununuran mikrofluidsistemon.
La apliko de diversaj mikrofluidaj platformoj varias dependi de specifaj studoj, plene profitante la kapablojn kaj avantaĝojn de la platformoj.Kun atingeblaj valvoj, pumpiloj kaj duktoj, LOCC estas la plej ampleksa platformo por aplika diverseco kaj kunfunkciebleco kun la plej granda loko por disvolviĝo.Tial ni esperas kaj rekomendas, ke la plej novaj studoj estu faritaj ĉe LOCC kiel unua provo kaj ke la kondiĉoj estu optimumigitaj.Krome, pli efikaj kaj precizaj metodoj estas atenditaj esti malkovritaj kaj uzitaj en la sistemo.LOAD elstaras je preciza kontrolo de fluidoj de ekzistantaj LOCC-aparatoj kaj montras unikajn avantaĝojn en ununuraj veturadoj per centrifuga forto sen la bezono de eksteraj veturadoj, dum paralelaj respondoj povas esti apartaj kaj sinkronigitaj.Tiel, en la estonteco, LOAD iĝos la ĉefa mikrofluida platformo kun malpli manaj operacioj kaj pli maturaj kaj aŭtomatigitaj teknologioj.La µPAD-platformo kombinas la avantaĝojn de LOCC kaj paperaj materialoj por malmultekostaj, unuuza diagnozo.Tial, estonta evoluo devus koncentriĝi sur oportunaj kaj bone establitaj teknologioj.Krome, la LFA bone taŭgas por nuda okulo-detekto, promesante redukti specimenan konsumon kaj akceli detekton.Detala platforma komparo estas montrita en Tabelo 2.
Ciferecaj analizoj dividas la provaĵon en multajn mikroreaktorojn, ĉiu el kiuj enhavas diskretan nombron da celmolekuloj [139, 140].Ciferecaj analizoj ofertas signifajn avantaĝojn por plenumi absolutan kvantigon per miloj da paralelaj biokemiaj eksperimentoj samtempe kaj individue en mikronskalaj kupeoj prefere ol en kontinua fazo.Kompare kun tradicia mikrofluidiko, kupeaj reagoj povas redukti specimenan volumon, pliigi reakcian efikecon kaj esti facile integrigitaj kun aliaj analizaj metodoj sen bezono de kanaloj, pumpiloj, valvoj kaj kompaktaj dezajnoj [141, 142, 143, 144, 145, 146, 147] .La sekvaj du metodoj estas uzataj en ciferecaj provoj por atingi unuforman kaj precizan apartigon de solvaĵoj, inkluzive de reakciiloj kaj specimenoj kiel ĉeloj, nukleaj acidoj kaj aliaj partikloj aŭ molekuloj: (1) faligi emulsiojn ekspluatantajn likvan interfacmalstabilecon;(2) tabeldivido estas efektivigita de la geometriaj limoj de la aparato.En la unua metodo, gutetoj enhavantaj reakciiloj kaj provaĵoj en mikrokanaloj povas esti kreitaj per pasivaj metodoj kiel ekzemple kunfluo, krucfluo, fluofokusado, enscenigita emulsigo, mikrokanala emulsigo, kaj membranoj tra viskozaj tondfortoj kaj emulsigado kun kanalŝanĝo.lokalizo [143, 145, 146, 148, 149] aŭ uzante aktivajn metodojn [150, 151], kiuj enkondukas plian energion per elektra, magneta, termika kaj mekanika kontrolo.En ĉi-lasta aliro, la plej bona fluida volumenunuformeco en mikrofluidaj kameroj estas dividita konservante spacajn strukturojn de la sama grandeco, kiel ekzemple mikrofosaĵoj kaj surfacaj aroj [152,153,154].Precipe, gutetoj estas gravaj flusekcioj kiuj ankaŭ povas esti generitaj kaj manipulitaj sur elektrodaj aroj bazitaj sur cifereca mikrofluidiko (DMF).Elektromalsekiĝo de dielektrikoj estas unu el la plej bone studitaj DMF-teorioj, ĉar elektromalsekiĝo de dielektriko permesas precizan manipuladon de individuaj gutoj, kontrolante la formon de la likva kaj nesimetriaj elektraj signaloj pasantaj tra malsamaj flankoj [141, 144].La ĉefaj operacioj kun gutetoj en DMF inkluzivas ordigon, disigon kaj kunfandon [151, 155, 156], kiuj povas esti aplikataj en diversaj analizkampoj, precipe en molekula detekto [157, 158, 159].
Cifereca nuklea acida detekto estas triageneracia molekula diagnoza teknologio sekvanta konvencian PCR kaj kvantan realtempan PCR (qPCR), paralele kun alt-trafia sekvencado kaj likva biopsio.En la lastaj du jardekoj, ciferecaj nukleaj acidoj rapide disvolviĝis en la kampo de molekula diagnozo de infektaj patogenoj [160, 161, 162].Absoluta kvantigo de cifereca nuklea acida detekto komenciĝas per pakado de specimenoj kaj reakciiloj en individuajn kupeojn por certigi, ke ĉiu celsekvenco havas la saman probablecon eniri ĉiun individuan kupeon.Teorie, al ĉiu sekcio povas esti asignita multoblaj celsekvencoj, aŭ eble ne ekzistas sendependa mikroreaga sistemo.Tra la diversaj sentmekanismoj priskribitaj supre, kupeoj kun mikrobaj celsekvencoj kiuj generas signalojn super certa sojlo povas esti bildigitaj per la nuda okulo aŭ per maŝino kaj estas etikeditaj kiel pozitivaj, dum aliaj kupeoj kiuj generas signalojn sub la sojlo estas etikeditaj kiel pozitivaj. .negativaj, kiuj faras la signalon por ĉiu sekcio buleano.Tiel, kalkulante la nombron da kupeoj kreitaj kaj la indico de pozitivaj rezultoj post la reago, la originaj kopioj de la testprovaĵoj povas esti egalitaj uzante la Poisson-distribuoformulon sen la bezono de norma kurbo, kiu estas postulata por rutinaj kvantaj analizoj tiaj. kiel qPCR.[163] Kompare kun tradiciaj molekulaj diagnozaj metodoj, cifereca nuklea acida detekto havas pli altan gradon da aŭtomatigo, pli altan analizrapidecon kaj sentemon, malpli da reakciiloj, malpli da poluado, kaj pli simplan dezajnon kaj fabrikadon.Pro ĉi tiuj kialoj, la uzo de ciferecaj provoj, precipe gut-bazitaj metodoj, por molekula diagnozo, kombinante plifortigajn kaj signallegajn teknikojn, estis bone studita dum la kritika eksplodo de SARS-CoV-2.Ekzemple, Yin et al.[164] kombinis gutetajn ciferecajn kaj rapidajn PCR-metodojn por detekti la ORF1ab, N, kaj RNase P-genojn en SARS-CoV-2 en mikrofluida blato.Precipe, la sistemo povis identigi pozitivan signalon ene de 115 sekundoj, kio estas pli rapida ol konvencia PCR, indikante sian efikecon en prizorga detekto (Figuro 7a).Dong et al.[165], Sow et al.[157], Chen et al.[166] kaj Alteri et al.[167] ankaŭ aplikis guteton ciferecan PCR (ddPCR) por detekti SARS-CoV-2 en mikrofluida sistemo kun imponaj rezultoj.Por plu plibonigi la malkovron, Shen et al.[168] atingis ddPCR-bazitan pecetbildigon en eĉ nur 15 s sen la uzo de bildaj kudradoteknikoj, akcelante la ddPCR-teknologiprocezon de laboratorio ĝis aplikiĝo.Ne nur termikaj plifortigaj metodoj kiel ekzemple PCR estas aplikataj, sed ankaŭ izotermaj plifortigaj metodoj estas uzataj por simpligi reagkondiĉojn kaj rapidan respondon.Lu et al.[71] evoluigis SlipChip por gutetanalizo, kapabla je generado de gutetoj de diversaj grandecoj ĉe altaj densecoj en unu paŝo kaj kvantigado de SARS-CoV-2 nukleaj acidoj uzante ciferecan LAMPON (Figuro 7b).Kiel rapide evoluanta teknologio, CRISPR ankaŭ povas ludi gravan rolon en cifereca nuklea acida detekto per oportuna kolorimetria bildigo sen la bezono de kromaj nukleacidaj makuloj.Ackerman et al.evoluigis kombinecan matricreagon por plurksa taksado de nukleaj acidoj.[158] detektis 169 hom-rilatajn virusojn, inkluzive de SARS-CoV-2, en gutetoj enhavantaj CRISPR-Cas13-bazitajn nukleajn acidajn detektilojn en mikroputo-analizo (Figuro 7c).Krome, izoterma plifortigo kaj CRISPR-teknologio povas esti uzataj en la sama sistemo por kombini la avantaĝojn de ambaŭ.Park et al.[169] CRISPR/Cas12a cifereca analizo estis evoluigita en komerca mikrofluida peceto por la detekto de eltirita kaj varmomortigita SARS-CoV-2 surbaze de unufaza RT-RPA kun pli mallonga kaj pli alta signal-al-fono detekto. tempoproporcio., pli larĝa dinamika gamo kaj pli bona sentemo (Fig. 7d).Kelkaj priskriboj de ĉi tiuj ekzemploj estas donitaj en Tabelo 3.
Tipa cifereca platformo por nuklea aciddetekto.a La rapida cifereca PCR-laborfluo konsistas el kvar ŝlosilaj paŝoj: specimena preparo, distribuado de la reagmiksaĵo, plifortiga procezo kaj celkvantigo (adaptita de [164]).b Skema montranta analizon de SlipChip gutetoj por gutetoformado ĉe alta denseco (adaptita de [71]).c CARMEN-Cas laborflua diagramo13 (adaptita el [158]).d Superrigardo de progresinta cifereca virusdetekto kun CRISPR/Cas en unu poto (adaptita de [169]).W/O akvo-en-oleo, polidimetilsiloksano PDMS, PCR-polimeraza ĉenreakcio, DAQ-datumkolekto, PID-proporcia integrala derivaĵo, CARMEN-kombina matrica reago por multeksa nuklea acida taksado, SARS-CoV-2, severa akuta spira sindromo, koronavirus 2 , RT Plifortigo de inversa transkriptazo-rekombinazo polimerazo-RPA, S/B-signalo en la fono
Afiŝtempo: Sep-15-2022
