一种小型半导体生物芯片用于识别耐药病原体

不断发展的多重耐药病原体菌株正在成为全球日益关注的问题，超过药物发现工作并破坏现有抗生素的功效。为临床应用开发综合诊断将成为控制不断升级的健康风险的关键。用于诊断传染病的现有实验室测试通常通过基于培养的方法进行，所述方法通常需要数天才能产生结果。快速分子诊断测试可以在不到一小时的时间内通过核酸扩增测试(NAAT)直接比较临床样品中的微生物核酸(NA)。然而，现有的NAAT受到不充分的多重化水平(即在单个反应中检测到的菌株或序列的数量)和检测到突变的不准确性的限制。

最近，科学家和工程师合作开发了一种完全集成的小型化半导体生物芯片，该生物芯片具有闭管检测化学，可执行多路NAAT，旨在克服现有的局限性。该系统可以在单个样品中快速扩增DNA和RNA序列，包括物种特征，基因型和赋予病原性耐药性的突变。首先通过鉴定和定量来自呼吸道病原体的多种病毒RNA和DNA来证明该系统的可行性。随后，该系统用于检测跨越结核分枝杆菌(MTB)基因组的多个基因的> 50个抗生素抗性突变。该研究发表在Nature Biotechnology上。

在这项研究中，Hassibi等人。设计和开发了一种小型化和一次性(一次性)半导体，使用传统的亚微米互补金属氧化物半导体处理器(CMOS)。生物芯片的结构包含具有热循环能力的流体室和具有荧光团的DNA捕获探针，所述荧光团位于嵌入的生物传感器阵列上方。该系统的流体室可以接收多重PCR试剂和临床病原体的微生物核酸 - 具有负责抗药性的特定感兴趣区域 - 用于其扩增。当微生物基因组的扩增区域与生物芯片上的DNA捕获探针紧密亲和时，将激活单个生物传感器像素以检测和区分野生型和突变型微生物菌株。

在NAAT模块中，流体端口可以将多重PCR混合物和提取的核酸引入室中用于核酸扩增。该生物芯片包含一系列32 x 32生物传感像素，每个像素都带有嵌入式光电二极管，加热器和探测器。该系统建立以识别多个且不同的核酸酸经由逆荧光转导(IFT)方法的实时序列。通过功能，CMOS生物芯片可以检测实时IFT信号，同时控制流体室的温度以实现核酸扩增。

除了单独的光电探测器和容纳在其中的电子读出电路以获取和数字化荧光发射之外，该系统还包括固定到每个像素的寡核苷酸IFT探针的实时转换，而不是传统的PCR染料。每个探针构成双荧光团标记以与PCR扩增子分析物杂交。总的来说，传感器阵列的可调速度为每秒1到50次读取。

该平台可以检测数百个不同的序列，仅受阵列上像素数量的限制。为了展示多路复用能力，研究人员使用CMOS生物芯片在同一临床样本中同时识别多种DNA和RNA呼吸道病毒。该平台随后鉴定了54个单核苷酸多态性突变(SNP)，位于6个基因中以检测赋予药物抗性的突变，将野生型菌株(对药物敏感的病原体)与耐药菌株分开。

尽管该系统具有超出现有NAAT平台的优势，包括具有成本效益的多路复用，工作流程简单性和<2小时的结果时间分析，但该系统是假设驱动的，仅检测当前已知的突变。该系统不能识别新的微生物或新突变 - 最适合下一代测序工作。快速检测多重耐药病原体和突变的现有能力可以通过向医疗保健提供者及时提供可操作的数据来帮助解决新出现的抗生素耐药性，从而更精确地选择药物。