漫谈基于微流控的全自动化分子诊断仪器

在体外诊断中，虽然分子诊断技术优势很明显，但是由于其步骤繁琐，过程费时，需要专业人员操作，而且临床分子诊断实验室的搭建成本一般较高，所以分子诊断也价格昂贵。与此同时，由于分子诊断中样本预处理过程复杂，往往还需要精确的温度循环控制，导至了传统的机械手方式一直不能很好的把整个流程自动化。而且，由于分子诊断中核酸扩增后相对较高温度下气溶胶的出现，污染一直是分子诊断中的一大难题。而全自动化的密闭的分子诊断产品能有效地避免这种交叉污染。

经过一些厂家的持续努力，全自动化的分子诊断产品也不断的涌现在大家眼前。下面，我们就来聊聊全自动化的分子诊断的产品。

1. GeneXpert

产品简介：

GeneXpert是由Cepheid公司研发的全自动分子诊断平台。它能够将样品制备，核酸扩增与检测完全整合到一个小小的检测试剂盒中，使得即使不具备专业技术的人员也可以进行复杂的分子检测，而且针对不同的疾病或病原菌，该公司已经开发出了功能齐全的试剂盒产品，满足患者从常规传染病到癌症基因检测的各个领域。

达成成就：

GeneXpert在全球的装机量已超过了1.1万台，在美国医院的分子诊断同类设备中，GeneXpert的装机量占比最高，接近25%。2015年销售额5.39亿美元，年销售额增长率稳定在20%以上。2016年9月6日，丹纳赫公司宣布计划以40亿美元收购Cepheid公司。

产品特点：

1. 实现了样品进结果出的分子诊断的全自动化，并使用试剂冻干粉预存储技术，使得操作更为简便。

2. 与大多数分子诊断自动化产品不同的是，这款产品是基于PCR定量分析的产品，还能满足诊断治疗中病原体载量分析的需求。

3. 有不同通量的仪器可供选择，满足不同通量的检测需求。

2. FilmArray

产品简介：

Filmarray是由BioFire公司研发的基于微流控技术的全自动分子诊断平台。该产品采用多重PCR分析技术，对同一个样品一次进行最多36种靶标的检测，且只需要大约一个小时的时间，非常适合于感染性疾病的早期快速筛查。

达成成就：

BioFire在2013年9月被生物梅里埃宣布以4.5亿美元收购。2016年，FilmArray销售额达到2.6亿美元，全球装机量4000台。

产品特点：

1. 实现了样品进结果出的分子诊断的全自动化，并使用试剂冻干粉预存储技术，使得操作极为简便；使用了微流控技术，简化了液体操控的复杂度。

2. 采用了巢式PCR技术，使用两对引物扩增，第二对引物结合在第一次扩增的产物的内部，这样增强了PCR扩增的特异性，降低了误扩率。

3. 使用了多重PCR技术，可以做到一次检测最多27种靶标，对于感染性疾病早期筛查尤为重要。

4. 组建了多机并联检测系统，满足不同通量的检测需求。

3. Atlas Genetics io

产品简介：Atlas Genetics io是由Atlas Genetics公司研发的基于微流控技术的POCT产品，该产品主要用于性传播疾病和医院获得性感染的检测。

达成成就：

迄今为止，Atlas Genetics已经融资6300万英镑（约合5.58亿人民币）。值得一提的是，在2016年的12月，我国的万孚生物以1.25亿元人民币持有了其13.63%的股权。

产品特点：

1. 微流控芯片内部跟传统的一样，采用的在相应腔室施加压力来操控微流体的流动，以实现整个检测的流程。

2. 采用了电化学检测来取代常规的荧光检测。其电化学检测的原理大概为：先不对称PCR，产生大量单链DNA。然后单链PCR产物与电化学物质的探针结合，生成双链DNA。双链DNA产物会被核酸外切酶消化，从而释放出被标记的电化学物质。最终通过电压扫描判读结果。

3.由于采用了电化学检测，仪器中就不需要复杂光学器件，仪器就能够做的足够小，同时重量上也比较轻，以实现便携式。电化学法检测所需要的电路器件的成本也远低于光学器件，进一步降低了成本。

4. Cobas Liat PCR System

产品简介：Cobas Liat PCR System是由IQuum公司研发的基于微流控技术的全自动的分子诊断POCT产品。

达成成就：

IQuum 在2014年4月被罗氏以4.5亿美元收购。

产品特点：

1. 实现了样品进结果出的分子诊断的全自动化，操作极为简单。

2. 这个产品采用非传统的微流控芯片结构。整个芯片类似于试管形状，检测管包含所有检测试剂并已分装入每一个独立区段，将所有核酸检测程序融为一体。其中包含试剂准备、样本富集、抑制物清除、核酸洗脱及实时荧光定量检测。分析仪通过对检测管压力推动，将样本从不同区段通过，最后通过温控进行PCR扩增，这种设计使得整个仪器更为紧凑。

3. 此产品通过挤压PCR反应试剂在三个拥有不同温区的腔室内来回移动来实现PCR反应所需要的温度循环。这种以空间上的温度循环来取代时间上的温度循环的方式极大了缩减了PCR反应时间，从而实现了流感病毒检测的20分钟出结果。

5. GenMark ePlex

产品简介： ePlex是由GenMark公司研发的基于微流控技术的全自动化的分子诊断设备。ePlex 的优势主要是集核酸自动提取、扩增以及eSensor检测技术为一体，实现了基因的快速检测。ePlex系统主要是针对感染性疾病诊断市场。最初的诊断项目包括革兰阳性和阴性菌鉴定、呼吸系统感染性疾病诊断、胃肠道感染诊断、HCV(丙肝)基因型鉴定、中枢神经系统感染诊断及真菌病原菌诊断。

达成成就：2017年全年，公司预计收入在6500万美元至7000万美元之间，毛利率在48-52％之间。

产品特点：

1. 使用了数字微流控技术（digital microfluidics），整个反应是以电浸润法（EWOD）来对液滴在平面电极阵列中进行操控来实现的。

2. 采用了类似于Atlas Genetics io产品的电化学检测来取代常规的荧光检测。与Atlas Genetics io不同的是，非对称扩增产生大量单链DNA后，单链DNA跟两个探针结合。一条探针被固定在电极上，一条探针被电化学标记物标记(跟Atlas Genetics io的一样的标记物)。单链DNA先一端与固定探针结合，再另一端与标记的探针结合，因为标记探针靠近了电极，从而检测到了电信号改变。同样的，电化学检测使得检测更灵敏，检测设备更紧凑，成本也更低。

3. 单机可同时加载12个微流控芯片，有较高的检测通量。

6. GenePOC revogene

产品简介：revogene是由GenePOC公司研发的基于微流控技术的全自动化分子诊断设备。集成了传染性微生物裂解，稀释，扩增和检测靶核酸序列的功能。在总共70分钟的时间内，revogene能够同时处理8个临床样本，每个样本检测多达12个遗传目标。

达成成就：2017年6月，GenePOC GBS LB检测及其revogene仪器获得FDA批准。

产品特点：

1. 使用了离心微流控技术（centrifugal microfluidics），整个反应是通过离心力来操纵液体在碟片式微流控芯片上的流动来实现的。液体操纵系统更为简单，紧凑。

2. 采用了免核酸提取法来大大简化了样本处理的流程，使得整个芯片设计更为简单。该方法的基本原理是采用异硫氰酸胍盐及表面活性剂联合在碱性环境裂解细胞或病毒样本材料，BSA和明胶保护稳定核酸的同时进一步加热条件使蛋白及抑制物凝聚沉淀，完全释放核酸到溶液中。值得一提的是，国内的卡尤迪，圣湘生物，一立科技等都有在推广类似的免核酸提取法。但是这种方法目前使用在病毒检测上更多见一些，某些细菌并不适用。而且在蛋白及抑制物凝聚沉淀过程中的相对高温的加热也限制了这种方法的推广。

7. 博晖创新 微流控全自动核酸检测系统

产品简介：北京博晖创新光电技术股份有限公司在微流控平台上实现了基于PCR的全自动的分子诊断。该系统实现了单芯片4样本，单机6芯片的较高通量的分子诊断。

达成成就：其核酸芯片检测仪与人乳头瘤病毒核酸检测试剂盒（生物芯片法）先后获得CFDA认证。

产品特点：

1. 完全打破了微流控技术局限于POCT的一般概念，使用了机械手臂加样，微流控芯片实现样本处理，PCR，斑点杂交等过程的混合模式来实现相对较高通量（一次24样本）的分子诊断。

2. 采用全液体试剂，针对我国国情，进一步降低单次HPV分型的成本。

结语：纵观比较典型的自动化分子诊断仪器，我们可以看到，其最主要的技术平台还是微流控技术（以上7种产品，严格意义上均是依赖于微流控技术来实现的，包括GeneXpert）。

那么全自动化分子诊断产品群雄逐鹿，谁将真正胜出？我们拭目以待。