▲第一作者：Haisong Lin, Wenzhuo Yu, Kiarash A. Sabet
通讯作者：Dino Di Carlo, Sam EmaminejadDOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05408-3扩大全球检测能力对于预防和遏制大流行病至关重要。因此，需要有可获得的、适应性强的自动化平台，用以在分散的环境中以资源高效的方式进行核酸测试。如果集中策略是基于当地的病毒流行率，那么集中测试可能是非常有效的手段；然而，集中测试需要具备自动化、小样本量处理和反馈能力，而目前笨重的资本密集型液体处理技术是无法做到的。本研究使用一群毫米大小的磁铁作为机器人（“铁磁机器人”），它们能够精确而稳健地处理磁化后的样品液滴，并在核酸扩增试验的基础上高保真地提供灵活的工作流程，以克服当前的限制。在一个手掌大小的基于印刷电路板的可编程平台内，本研究展示了集中测试中涉及的实验室操作。这些操作由一个输入的方形矩阵集中测试算法指导，以识别来自感染患者的样本，同时最大限度地提高测试效率。通过将这一自动化技术应用于临床样本中SARS-CoV-2病毒的循环介导的等温扩增和检测，其中的检测结果与传统检测获得的结果完全吻合。这项技术很容易被制造和分发，采用它进行病毒检测可以使试剂成本降低10-300倍（取决于病毒的流行程度），还能使仪器成本降低三个数量级。因此，它是一个很有前途的解决方案，可以扩大我们的测试能力，为大流行病做准备。本研究可为未来的自动化临床实验室提供参考。▲图 1 |具有强适应性和自动化病毒检测的生物分析群体铁磁机器人平台的概述1. 在全球范围内提高我们的病毒诊断和监测测试能力对我们的流行病和大流行病准备工作至关重要。在各种测试方法中，核酸扩增测试（NAATs）比基于抗原和抗体的测试方法更有优势，因为它们具有卓越的灵敏度、特异性和快速部署的能力，无需产生特定的诊断抗体。为了大规模和频繁地进行NAATs，需要有可利用的自动测试平台，可以在分散的环境中部署，以高通量、快速的周转时间和最小的资本成本和/或试剂使用来分析样本。特别是，当大多数病人预计为阴性时，战略性地汇集样本可以在大流行引起的供应链中断中显著减少资源的利用。因此，需要有灵活的检测工作流程，当前的检测方针是由适应性集合算法（如基于病毒流行率的算法）决定的，目的是最大限度地提高筛查效率（图1a, b）。2. 为了最大限度地提高筛查效率，本研究制定了一个基于患病率的自适应测试算法（图1b）。该算法确定了最佳的测试模式，并根据方形矩阵集合方案进行操作工作流程（图1c, d），而不需要过于繁琐的样本处理程序。采用这种方法而不是固定的个体检测方法（普遍采用），可以在广泛的病毒流行范围内节省大量费用。3. 图1e-g展示了一个有代表性的铁磁机器人试验平台，它由两个模块组成（完全由低成本部件构成）：（1）一个一次性充油微流控芯片，具有被动和主动驱动接口，承载输入样品和铁液或检测试剂；（2）一个印刷电路板（PCB），具有二维阵列线圈（导航地板），可以独立激活，以电磁方式引导单个铁磁机器人。▲图 2 |铁磁机器人可实现基于NAAT的测试
1. 通过对基于PCB的底层线圈进行编程，本研究以电磁方式引导铁机器人在不同的充满油脂环境中携带含铁液滴，其中实现了最大速度范围为5-50毫米/秒的快速液滴运输（图2a）。本研究发现Novec（油）-PicoSurf（表面活性剂）的组合产生了最大的含铁液滴速度，并且与RT-LAMP检测相互兼容。2. 图2b显示了在优化的Novec油环境中精确和可调整的含铁样品的等分能力。在本研究的环境中，等分是一个关键步骤，目的在于精确的样品计量和创建用于多路复用和多轮汇集分析的子样品。等分是通过引导含铁液滴的铁磁机器人沿着波纹结构特征实现的，这反过来又导致了更小的含铁液滴的分配（作为一个等分）。通过调整波纹开口和/或通道高度，等分量的体积可以调整两个数量级以上。3. 为了实现液滴的合并，本研究利用了电凝聚的原理。在我们的背景下，液滴合并对于向输入样品添加试剂和合并多个输入样品进行汇集是非常有用的。如图2c所示，通过将液滴输送到一对电极上并施加一个相对较低的电压（大约0.3-1.5V，取决于周围的油-表面活性剂成分），可以在几秒钟内实现液滴合并。▲图 3 |用于单个临床样本检测的自动化机器人SARS-CoV-2 RT-LAMP的工作流程
1. 本研究提出的程序的可编程性使其易于调整，以简化铁磁驱动和生物分析操作，并以完全自动化的方式提供多功能的基于RT-LAMP的测试工作流程，并具有高保真度。为了说明这一点，本研究定制了一个一次性微流控模块，以容纳输入样品、相关试剂和专用的等分或合并组件（图3a），然后用一个PCB模块对其进行增强，其中包含导航线圈、电阻式加热器元件和比色感应电路。通过在软件层面对PCB进行编程，本研究设计了一个铁磁机器人指令集来无缝地执行检测。该指令集描绘了一个专门的铁磁机器人的导航计划，并详细说明了合并和加热的电极激发条件，同时考虑到5分钟的热裂解和30分钟的RT-LAMP反应期（图3b)。2. 在这个测试工作流程中，对含铁液体的操作流程控制在1.75分钟的时间内（图3c）。一个含铁液滴首先被磁力输送到引入的样品液滴上，然后与之合并和混合，以使样品适合于铁磁操作。接下来的步骤是对含铁样品进行等分，处理含铁样品的残留物，并将等分的样品（1微升）送到反应室（包含检测试剂）。在送入反应室后，RT-LAMP过程开始，30分钟后，检测读数被比色量化，以样品到答案的方式呈现测试结果。▲图 4 |使用铁磁机器人群执行合并的SARS-CoV-2 RT-LAMP工作流程
1. 图4a提供了算法指导下的方形矩阵集合方案的概况，特别是42个集合的情况，它涉及一组16个样品排列成4×4的矩阵（Sij；i, j分别代表行和列的序号）。在该方案中，首先将所有样品汇集在一起，并通过单个测定“A”分析所得样品聚集体。如果检测结果为阴性，那么所有的原始输入样品将被视为阴性。2. 图4b展示了由9个机器人组成的蜂群执行的操作顺序，以提供一个有代表性的42个集合测试工作流程。展示的顺序包括：（1）在四个机器人的帮助下，对每个输入样品进行三次等分；（2）所有样品汇集，以促进第一轮测试（分两步进行；使用四个机器人平行合并同一行的等分样品，然后使用一个机器人合并结果的集合体）；（3）行-列汇集，以促进第二轮测试（每次由一组四个机器人执行）。3. 本研究通过分析50个临床样本（通过RT-PCR预表征）考察了该规模化平台的集合检测能力。这些样本按9个和16个样本的两种排列方式分组，用相应的32和42芯片进行测试，以便在第一轮和第二轮测试中评估平台的汇集、检测和解释能力。具体来说，对于每组大小或芯片，本研究测试了涉及没有或存在感染样本的情况。图4c-f说明了相应的芯片上的光学表征结果。按照上述测试方案，通过比较相应的检测反应与其检测阈值，确定了每个样品的状态。另外，本研究使用较小的等分样品（100 nl，检测试剂量为1.9 µl）进行了类似的集合检测研究，证明了进一步减少试剂的使用量。根据实际情况的需要，该机器人测试平台可以通过最小的重新配置来适应其他基于NAAT的检测（例如RT-PCR）以及其他集合方案（例如Dorfman）的自动化。本研究设计的试验平台可以用低成本的消耗品和仪器构建，使用广泛可用的材料和电路元件，并遵循现有的可扩展的制造解决方案--共同实现大规模生产，以快速大规模部署。本研究估计，从仪器投资的角度来看，将该平台的大范围使用可以使测试能力的边际收益增加约三个数量级，在中低病毒流行率（约8%至0.8%）时，试剂成本可减少60-300倍，在高病毒流行率时可减少10倍。因此，利用其高度的可及性、适应性和自动化，所提出的技术可以作为一个高效、分布式和分散式的解决方案进行部署，以扩大我们对大流行病的准备的测试能力。https://www.nature.com/articles/s41586-022-05408-3更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。