2020年疫情之初，迅速暴增的感染人数给病原体核酸检测带来巨大的挑战，北京航空航天大学微纳生物芯片专家、常凌乾及团队，与四川大学华西医院一起承担了新冠病毒核酸检测紧急专项，研发出能在25分钟之内快速核酸检测的便携式设备。

如今，双方再次携手，这次他们要帮助的对象，是我国中西部地区贫困山区，例如，四川大凉山贫困地区的结核病人。这些地方，结核杆菌引起的呼吸道疾病依然比较严重，且成为一种致命性流行病。结核病，是由结核分枝杆菌引起的传染病，也是致死率最高的单传染病原体之一。据世界卫生组织统计，2019年结核病导致1000多万新感染病例，140万人死亡。因此，快速准确诊断疑似结核病携带者的方法，仍然是抑制其传播的关键。要想判断是否患有这种疾病，就得进行结核杆菌检测，这时就需要大型核酸检测设备。但这种仪器价格昂贵，对实验室和专业人员的要求都比较高，一般都局限在三甲医院检验科，很难应用在偏远地区。

这些因素都阻碍了结核病在偏远地区的快速筛查诊断。因此，迫切需要设计低成本、易于操作且准确的平台来弥合这一差距。

经过一年多的研发和验证，常凌乾及团队制造出一种低成本、便携式的微流控装置，并给其命名为Fd-MC（finger-driven disposable micro-platform ）。这种既不需要电，也不需要额外设备，此外还得价格便宜、测试快速，总之一切都要以简单为主。

这种装置同时具备低成本、便携、手指驱动等特点，并搭载重组酶聚合酶核酸等温扩增技术，集核酸提取、扩 增、检测于一体，可对痰液样本中的结核杆菌实现便携现场快速检测。只需动动手指，就能在一个完全分离的微通道中，完成完整的结核病诊断过程。

日前，相关论文已由合作双方发在Biosensors ＆Bioelectrnics（IF: 10.6）上，论文题为 《基于等温扩增的手指驱动一次性微平台在结核病多点诊断中的应用》（A finger-driven disposable micro-platform based on isothermal amplification for the application of multiplexed and point-of-care diagnosis of tuberculosis） 。第一作者是北航博士生王之莹，共同通讯作者分别是北航常凌乾教授、以及华西医院检验科主任应斌武教授。

图 | 相关论文（来源：受访者）

可摆脱对电力、外部泵的依赖

Fd-MC大约有手掌那么大，长度55mm、宽度66mm、厚度5mm，上面有一个直径1.6mm的样品注入孔，还有两个用于存储相应缓冲液的圆柱形腔，以及用于DNA提取的微通道。

芯片基底采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行激光刻蚀，并在缓冲液储存室的上表面覆盖弹性膜。当按压弹性膜时，可直接驱动液体在微流道中流动，从而可摆脱对电力、外部泵的依赖。

此外，在芯片上设计了“W”形通道的DNA提取区，并在内部填充二氧化硅颗粒，基于二氧化硅对病原体的核酸进行固相萃取。当样品进入到微通道与硅粒子混合时，在高浓度的盐离子作用下，样品中带负电荷的DNA分子通过阳离子盐桥与硅粒子结合，从而被吸附于二氧化硅珠上。

研究中，常凌乾团队采用基于FAM探针的原位荧光策略，通过手持式紫外灯，可用肉眼读取芯片的结果。因此在避免感染或环境污染的风险方面，Fd-MC具有独特的优势。

在检测区，常凌乾团队设计了5个平行的“y形”反应区“y形”反应区由“y形”通道和圆柱形腔室组成，每个“y形”腔室由一个小的通道连接。一旦液体进入检测区域，将首先填满“y形”通道，直到装置被轻微摇晃才会流入到装载有RPA反应物的圆柱形腔室。这种设计可以建立一个物理分区，允许每个室形成一个独立的环境，避免液体流动造成的交叉污染。

该团队在多重检测中，针对人型结核分枝杆菌(MTB)、 结 核 分 枝 杆 菌 复 合 群(MTBC)、分枝杆菌(MB)，分别设计 RPA 特异性引物。该芯片不仅能识别结核/非结核感染，还能区分人结核分枝杆菌/牛结核分枝杆菌。

图 | Fd-MC（来源：受访者）

在操作时，把经过前处理的痰液或者咽拭子加到进样口，依次用手指按压两个弹性膜。然后，将芯片置于 37-42℃的温度，20 分钟之内即可实现核酸等温扩增。测试完之后，将芯片置于设计的小型读取设备中，并用手机App进行拍照，通过荧光显色，表明受测者是否患有结核，甚至还能检测结核的亚型。

总的来说，Fd-MC能够实现芯片上的“样本输入和结果输出”，集成了包括从结核病病原体中提取DNA、基于RPA（重组酶聚合酶扩增）的荧光可视化的多个操作步骤。

图 | 基于核酸等温扩增的手指驱动式微流控芯片（Fd-MC）快速检测结核杆菌的原理示意图（来源：受访者）

37个样本，全部检查正确

Fd-MC通过37个临床样本进行了验证，包括奇美拉分枝杆菌、鸟分枝杆菌、胞内分枝杆菌、戈登分枝杆菌和脓肿分枝杆菌，以及由中国四川大学华西医院提供的20份临床阳性痰样本，和健康志愿者们捐赠的10份健康痰样本。所有临床样本均经华西医院经伦理批准确认。

验证结果表明，与商业实时荧光RPA相比，在对37个临床样本的检测中，Fd-MC获得了100%的特异性（指正确检测阴性样本的能力)，敏感度(指正确检测阳性样本的能力）为95.2%。

图 | Fd-MC 对临床结核病样本诊断的验证（来源：受访者）

与其他需要外部驱动泵或离心的微流控装置不同，Fd-MC通过手指按压驱动液体流动的方式，对样本进行DNA固相提取和RPA扩增，操作简单快捷，消除了对技术人员的需要。

Fd-MC的一个显著卖点是其较低的成本。以GeneXpert为例，这种大型仪器的成本为17500美元，年度维护费为1800美元，大大限制了在偏远地区的应用。相比之下，Fd-MC所需材料包括微流控芯片、RPA缓冲液、酶和引物在内的所有元素，总成本小于8美元。而且，Fd-MC的检测速度快，包括DNA提取和RPA扩增的总时间控制在30min内（qPCR通常是2小时），这有利于结核病的快速筛查。

在未来，常凌乾团队也考虑将Fd-MC和数字RPA的结合可以准确地定量DNA浓度。通过将RPA试剂分配到带有微孔阵列的芯片中，经过RPA反应后，检测发出荧光的孔（阳性孔）。对于低浓度的DNA模板，阳性孔的数量低于高浓度的DNA模板。因此，可以通过计数阳性孔的数量进行定量分析，从而识别低浓度的病原体。

总的来说，该团队设计了一款手指驱动式的微流控芯片，该通用的POC平台有望在资源有限的环境中，进行快速、现场、大规模的传染性病原体筛查。

该技术已启动转化落地

2020年初，疫情的突然造访，导致大量样本等待筛查。为此四川省启动了紧急重点专项，并由四川大学生物治疗国家重点实验室教授耿佳，和华西医院实验医学科主任应斌武一起牵头，联合北航常凌乾团队，开始了新冠病毒核酸检测的紧急事业，并随着合作研究的深入，逐渐延伸到其他种类的病原体检测。

双方此前也在技术转化方面进行了长期合作。论文和专利公开以后，该技术已开始寻求技术转化。