不斷發(fā)展的多重耐藥病原體菌株正在成為全球日益關(guān)注的問題，超過藥物發(fā)現(xiàn)工作并破壞現(xiàn)有抗生素的功效。為臨床應(yīng)用開發(fā)綜合診斷將成為控制不斷升級(jí)的健康風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。用于診斷傳染病的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試通常通過基于培養(yǎng)的方法進(jìn)行，所述方法通常需要數(shù)天才能產(chǎn)生結(jié)果?？焖俜肿釉\斷測(cè)試可以在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)通過核酸擴(kuò)增測(cè)試(NAAT)直接比較臨床樣品中的微生物核酸(NA)。然而，現(xiàn)有的NAAT受到不充分的多重化水平(即在單個(gè)反應(yīng)中檢測(cè)到的菌株或序列的數(shù)量)和檢測(cè)到突變的不準(zhǔn)確性的限制。

最近，科學(xué)家和工程師合作開發(fā)了一種完全集成的小型化半導(dǎo)體生物芯片，該生物芯片具有閉管檢測(cè)化學(xué)，可執(zhí)行多路NAAT，旨在克服現(xiàn)有的局限性。該系統(tǒng)可以在單個(gè)樣品中快速擴(kuò)增DNA和RNA序列，包括物種特征，基因型和賦予病原性耐藥性的突變。首先通過鑒定和定量來自呼吸道病原體的多種病毒RNA和DNA來證明該系統(tǒng)的可行性。隨后，該系統(tǒng)用于檢測(cè)跨越結(jié)核分枝桿菌(MTB)基因組的多個(gè)基因的> 50個(gè)抗生素抗性突變。該研究發(fā)表在Nature Biotechnology上。

在這項(xiàng)研究中，Hassibi等人。設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種小型化和一次性(一次性)半導(dǎo)體，使用傳統(tǒng)的亞微米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體處理器(CMOS)。生物芯片的結(jié)構(gòu)包含具有熱循環(huán)能力的流體室和具有熒光團(tuán)的DNA捕獲探針，所述熒光團(tuán)位于嵌入的生物傳感器陣列上方。該系統(tǒng)的流體室可以接收多重PCR試劑和臨床病原體的微生物核酸 - 具有負(fù)責(zé)抗藥性的特定感興趣區(qū)域 - 用于其擴(kuò)增。當(dāng)微生物基因組的擴(kuò)增區(qū)域與生物芯片上的DNA捕獲探針緊密親和時(shí)，將激活單個(gè)生物傳感器像素以檢測(cè)和區(qū)分野生型和突變型微生物菌株。

在NAAT模塊中，流體端口可以將多重PCR混合物和提取的核酸引入室中用于核酸擴(kuò)增。該生物芯片包含一系列32 x 32生物傳感像素，每個(gè)像素都帶有嵌入式光電二極管，加熱器和探測(cè)器。該系統(tǒng)建立以識(shí)別多個(gè)且不同的核酸酸經(jīng)由逆熒光轉(zhuǎn)導(dǎo)(IFT)方法的實(shí)時(shí)序列。通過功能，CMOS生物芯片可以檢測(cè)實(shí)時(shí)IFT信號(hào)，同時(shí)控制流體室的溫度以實(shí)現(xiàn)核酸擴(kuò)增。

除了單獨(dú)的光電探測(cè)器和容納在其中的電子讀出電路以獲取和數(shù)字化熒光發(fā)射之外，該系統(tǒng)還包括固定到每個(gè)像素的寡核苷酸IFT探針的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，而不是傳統(tǒng)的PCR染料。每個(gè)探針構(gòu)成雙熒光團(tuán)標(biāo)記以與PCR擴(kuò)增子分析物雜交。總的來說，傳感器陣列的可調(diào)速度為每秒1到50次讀取。

該平臺(tái)可以檢測(cè)數(shù)百個(gè)不同的序列，僅受陣列上像素?cái)?shù)量的限制。為了展示多路復(fù)用能力，研究人員使用CMOS生物芯片在同一臨床樣本中同時(shí)識(shí)別多種DNA和RNA呼吸道病毒。該平臺(tái)隨后鑒定了54個(gè)單核苷酸多態(tài)性突變(SNP)，位于6個(gè)基因中以檢測(cè)賦予藥物抗性的突變，將野生型菌株(對(duì)藥物敏感的病原體)與耐藥菌株分開。

盡管該系統(tǒng)具有超出現(xiàn)有NAAT平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，包括具有成本效益的多路復(fù)用，工作流程簡(jiǎn)單性和<2小時(shí)的結(jié)果時(shí)間分析，但該系統(tǒng)是假設(shè)驅(qū)動(dòng)的，僅檢測(cè)當(dāng)前已知的突變。該系統(tǒng)不能識(shí)別新的微生物或新突變 - 最適合下一代測(cè)序工作?？焖贆z測(cè)多重耐藥病原體和突變的現(xiàn)有能力可以通過向醫(yī)療保健提供者及時(shí)提供可操作的數(shù)據(jù)來幫助解決新出現(xiàn)的抗生素耐藥性，從而更精確地選擇藥物。