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Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4902 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Un sistema lab-on-a-chip con funzionalità di test Point-of-Care offre un potenziale diagnostico rapido e accurato ed è utile in contesti con risorse limitate in cui apparecchiature biomediche e professionisti qualificati non sono prontamente disponibili. Tuttavia, un sistema di analisi Point-of-Care che possieda contemporaneamente tutte le caratteristiche richieste di dispensazione multifunzionale, rilascio su richiesta, operazioni robuste e capacità di conservazione dei reagenti a lungo termine rappresenta ancora una sfida importante. Qui descriviamo una tecnologia di commutazione azionata da leva a film in grado di manipolare liquidi in qualsiasi direzione, fornire una risposta di rilascio accurata e proporzionale alla pressione pneumatica applicata, nonché sostenere la robustezza durante movimenti e vibrazioni improvvisi. Sulla base della tecnologia, descriviamo anche lo sviluppo di un sistema di reazione a catena della polimerasi che integra le funzioni di introduzione, miscelazione e reazione dei reagenti in un unico processo, che realizza prestazioni "campione in risposta" per tutti i campioni nasali clinici di 18 pazienti con Influenza e 18 controlli individuali, in buona concordanza dell'intensità della fluorescenza con la reazione a catena della polimerasi standard (coefficienti di Pearson > 0,9). La piattaforma proposta promette una solida automazione delle analisi biomediche e può quindi accelerare la commercializzazione di una gamma di dispositivi di test Point-of-Care.

Le malattie umane emergenti, come la pandemia di COVID-19 del 2020 che ha portato alla perdita di milioni di vite umane, rappresentano una grave minaccia per la salute globale e la civiltà umana1. Il rilevamento precoce, rapido e accurato della malattia è fondamentale per controllare la diffusione di un virus e ottenere migliori risultati terapeutici. Gli ecosistemi diagnostici tradizionali basati su laboratori centralizzati, dove i campioni di analisi vengono inviati a ospedali o cliniche diagnostiche e sono gestiti da personale professionale, attualmente limitano l’accesso a quasi 5,8 miliardi di persone in tutto il mondo, in particolare coloro che vivono in contesti con scarse risorse e privi di costose attrezzature biomediche. e medici qualificati2. È quindi altamente auspicabile lo sviluppo di un sistema lab-on-a-chip a basso costo e facile da usare con funzionalità POCT (point-of-care testing) che fornisca ai medici informazioni diagnostiche tempestive per prendere decisioni informate riguardo alla diagnosi e al trattamento3.

Le linee guida dell'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) affermano che un POCT ideale deve essere conveniente, facile da usare (facile da usare con una formazione minima), accurato (evita risultati falsi negativi o falsi positivi), rapido e robusto (garantisce una buona riproducibilità) e consegnabili (in grado di essere archiviati a lungo termine e facilmente ottenibili dagli utenti finali)4. Per soddisfare questi requisiti, i sistemi POCT dovrebbero offrire le seguenti caratteristiche: erogazione multifunzionale per ridurre l'intervento manuale, rilascio su richiesta per controllare proporzionalmente il trasporto dei reagenti per risultati di test accurati e operazioni robuste per resistere alle vibrazioni dell'ambiente. I dispositivi POCT più utilizzati attualmente sono le strisce a flusso laterale5,6 costituite da diversi strati di membrane porose di nitrocellulosa che spingono in avanti quantità molto piccole di campione, reagendo ai reagenti pre-immobilizzati tramite una forza capillare. Sebbene siano economici, facili da usare e offrano i vantaggi di risultati rapidi, i dispositivi POCT basati su strisce di flusso possono essere applicati solo ai test biologici (ad esempio, test del livello di glucosio7,8 e test di gravidanza9,10) senza richiedere reazioni multifase (ad esempio, caricamento di più reagenti, miscelazione, reazione multiplex). Inoltre, la forza motrice per controllare il movimento del fluido (ovvero, la forza capillare) non offre una buona coerenza, soprattutto tra lotti diversi, con conseguente scarsa riproducibilità11 e rendendo le strisce di flusso laterali utili principalmente per rilevamenti qualitativi12,13.

Le capacità di produzione avanzate su scala micro e nanometrica hanno creato opportunità per lo sviluppo di dispositivi POCT basati su microfluidica per misurazioni quantitative14,15,16,17. Regolando le proprietà interfacciali18,19 e la geometria dei canali20,21,22, è possibile controllare la forza capillare e la portata di questi dispositivi. La loro robustezza, soprattutto per i liquidi altamente bagnanti, non è tuttavia ancora accettabile, a causa dell'imprecisione di fabbricazione, delle imperfezioni dei materiali e della suscettibilità alle vibrazioni ambientali23. Inoltre, poiché il flusso capillare viene generato all'interfaccia liquido-aria, non possono essere introdotti flussi aggiuntivi, in particolare dopo che i canali microfluidici sono stati riempiti di liquido. Di conseguenza, è necessario eseguire diverse fasi di introduzione del campione per ottenere un test più complesso24,25.

0.9). The estimated material cost of the FAST-POCT device is about $1 (Supplementary Table 1), which can be further reduced when using mass-manufacturing method (e.g., mold injection). In practical terms, the FAST-based POCT device has all the required characteristics as envisioned by the WHO, is compatible with emerging biochemical testing methods such as plasmonic thermocycle testing44, amplification-free immunoassay45 and nanobody-functionalized testing46, which suggests opportunities for POCT systems./p> Pc_long) was connected to chamber A. As pressure P1 (Pc_long < P1 < Pc_short) was applied, only the liquid in red can flow to chamber B and when the pressure was increased to P2 (> Pc_short), the blue liquid can flow to chamber A. This sequential injection mode applies to different liquids transferring to their related chambers in sequence, which is critical for a successful POCT device. Figure 3a(iv) demonstrates the selective injection mode, where the main chamber had a short (with critical pressure Pc_short) and a long lever (with critical pressure Pc_long < Pc_short) that were connected to chamber A and chamber B, respectively, in addition to another air channel connected to chamber B. To transfer the liquid to chamber A first, pressure P1 (Pc_long < P1 < Pc_short) and P2 (P2 > P1) with P1 + P2 > Pc_short were applied to the device at the same time. This way the liquid was blocked from entering chamber B by P2; meanwhile, the total pressure P1 + P2 exceeded the critical pressure to activate the shorter lever connected to chamber A to allow the liquid flow to chamber A. Then, when chamber B was required to be filled, we only need to apply P1 (Pc_long < P1 < Pc_short) in the main chamber to activate the long lever and allow the liquid to flow to chamber B. It can be clearly observed from time t = 3 s to 9 s that the liquid in chamber A remained constant while it increased in chamber B when pressure P1 was applied. When chamber A needed to be filled again, we only need to apply P1 in the main chamber and P2 in the additional chamber. This way, the flow behavior can switch selectively between chambers A and B. The flow behavior of the four multifunctional dispensing modes can be found in Supplementary Movie S2./p>99%)58,59. However, conventional RT-PCR techniques require several pipetting, mixing, metering, and liquid transferring operations, limiting access to professional personnel in resource-limited settings. Here, the FAST-POCT platform was applied for PCR testing of IAV and IBV separately to obtain their lower limit of detection (LOD). Additionally, multiplexed testing of IAV and IBV was conducted to differentiate different pathotypes of a species, providing a promising genetic analysis platform and an opportunity for accurate treatment to diseases./p> 0.9). Parallel to this work, varieties of emerging biochemical techniques (i.e., plasmonic thermocycle testing, amplification-free immunoassay, and nanobody-functionalized testing) have shown their potential for POCT. However, due to a lack of an all-integrated and robust POCT platform, these techniques inevitably require separate pre-treatment processes (e.g., RNA extraction44, incubating45, and rinsing46), which further makes the present work complementary to these technologies to achieve advanced POCT capabilities with desired "sample-in-answer-out" performance. In this work, though a pneumatic pump that is used to activate the FAST valves is small in size and can be integrated into a benchtop instrument (Figs. S9, S10), it still consumes considerable power and makes noises. In principle, the pneumatic pump can be replaced by other means for a smaller form factor, such as use of an electromagnetic force or finger-actuated forces. Further improvements can include, for example, customizing the cartridge for different and specific biochemical assays, and adopting novel detection method with no need for the heating/cooling system, leading to an instrument-free POCT platform for PCR applications. We believe that the proposed FAST technique represents a potential to establish a universal platform not just for biomedical testing, but also for environmental monitoring, food quality inspection, material synthesis, and pharmaceuticals, given that the FAST platform provides a means to manipulate fluids./p> 40 years old, and 19 males, 17 females. The demographics are provided in the Supplementary Table 3. Informed consent was obtained from all the participants. The participants are all influenza suspected people and volunteered to be tested with no compensation./p>