數字PCR是一種用於絕對核酸定量檢測方法，具有前所未有的準確度和精確度，是繼實時熒光定量PCR技術之後的第三代核酸定量擴增檢測技術，在液體活檢、腫瘤伴隨診斷、無創產前篩查、病原載量監測等方面具有重要應用前景，是科研和臨床領域的平臺級新技術。數字PCR市場主流產品主要為歐美跨國公司的高端儀器，在科研和臨床的應用還比較初步。為了促進數字PCR的更廣泛使用和臨床應用，仍然存在幾個主要挑戰，包括降低成本、集成儀器平臺和簡化實驗操作。
近日，中國科學院微生物研究所微生物資源前期開發國家重點實驗室杜文斌團隊報道了一種可重複使用的微流控芯片。該芯片基於階梯乳化（Step Emulsification）產生納升液滴陣列，用於同時對8個樣品進行片上多重熒光數字PCR。裝置包含兩塊玻璃板，可實現預先填充礦物油的快速組裝。通過由單個壓力泵同時驅動8個樣品通道的階梯乳化，利用噴嘴陣列快速產生液滴，生成的液滴在U形腔室中可自組裝成單層液滴陣列，每個腔室可容納約10000個0.35 nL體積的微滴。
團隊將該芯片應用於臨床樣本HER2拷貝數變異的定量評估，驗證了多重數字PCR性能，平行檢測結果與美國賽默飛公司的QuantStudio 3D數字PCR儀一致，這對於乳腺癌的靶向治療和預後具有重要臨床應用價值。這種低成本、可重複使用且用戶友好的設備可廣泛應用於各種應用，在普通實驗室僅需一臺平板PCR儀和小型氣壓泵即可開展數字PCR擴增。芯片可在拆卸和簡單清潔程序後重復使用50次以上，顯著降低了單次數字PCR檢測的耗材成本。
上述研究結果2019年1月4日在線發表於國際主流學術期刊Analytical Chemistry （https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.8b04313）。中國科學院微生物研究所博士生聶夢月為第一作者。該工作得到國家重點研發計劃“戰略性國際科技創新合作重點專項”《人、畜傳染性疾病預防監控技術》等項目的支持。
圖：可重複使用的組合式階梯乳化數字PCR微流控芯片
杜文斌團隊一直致力於國產化數字PCR技術的研製，探索低成本差異化創新策略。其主持的國家重點研發計劃《新一代高通量數字PCR關鍵技術及應用研究》項目自2016年立項以來，自主開發了低成本界面振動乳化（Interfacial Emulsification）技術（Analytical Chemistry, 2017, 89, 745-750; Analytical Chemistry, 2016, 88, 3171-3177），完成了一體化全自動數字PCR原理樣機研發，取得了重要階段性進展。所研發的樣機可同時進行24個樣品分析，納升液滴製備、溫控擴增、及多通道熒光檢測全自動完成，檢測時間縮短至3小時。這一擁有自主知識產權的創新數字PCR系統，依靠低成本針頭生成液滴，無需微加工芯片耗材，使用成本極低。突破了現有仿製設備的侷限，有望為低成本、高通量、易用型數字PCR技術的普及打開新的局面。
圖：高通量全自動數字PCR系統樣機
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