Oct 19, 2023
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Nature Communications 13권, 기사 번호: 4902(2022) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
현장 진료(Point-of-Care) 테스트 기능을 갖춘 랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 시스템은 신속하고 정확한 진단 가능성을 제공하며 생물의학 장비와 숙련된 전문가를 쉽게 이용할 수 없는 자원이 제한된 환경에서 유용합니다. 그러나 다기능 분주, 주문형 출시, 견고한 작동 및 장기 시약 보관 기능의 모든 필수 기능을 동시에 보유하는 현장 진단(Point-of-Care) 테스트 시스템은 여전히 주요 과제입니다. 여기에서는 어떤 방향으로든 액체를 조작할 수 있고, 적용된 공압에 대해 정확하고 비례적인 방출 반응을 제공할 뿐만 아니라 갑작스러운 움직임과 진동 중에도 견고성을 유지할 수 있는 필름 레버 작동식 스위치 기술에 대해 설명합니다. 또한 이 기술을 바탕으로 시약 도입, 혼합 및 반응 기능을 모두 하나의 프로세스로 통합하여 18명의 환자의 모든 임상 비강 샘플에 대해 "샘플-인-앤서-아웃" 성능을 달성하는 폴리머라제 연쇄 반응 시스템의 개발에 대해서도 설명합니다. 인플루엔자 및 18개의 개별 대조군은 표준 중합효소 연쇄 반응과 형광 강도가 잘 일치합니다(Pearson 계수 > 0.9). 제안된 플랫폼은 생체 의학 분석의 강력한 자동화를 보장하므로 다양한 현장 진단 장치의 상용화를 가속화할 수 있습니다.
수백만 명의 목숨을 앗아간 2020년 코로나19 팬데믹과 같은 새로운 인간 질병은 세계 보건과 인류 문명에 큰 위협이 되고 있습니다1. 조기에 신속하고 정확한 질병 탐지는 바이러스 확산을 통제하고 향상된 치료 결과를 달성하는 데 중요합니다. 테스트 샘플을 병원이나 진단 진료소로 보내고 전문 인력이 운영하는 중앙 집중식 실험실을 기반으로 하는 주류 진단 생태계는 현재 전 세계적으로 약 58억 명, 특히 값비싼 생물의학 장비가 부족한 저자원 환경에 살고 있는 사람들에게 접근을 제한하고 있습니다. 그리고 숙련된 임상의2. 따라서 의사에게 진단 및 치료에 관한 정보에 근거한 결정을 내릴 수 있도록 적시에 진단 정보를 제공하는 현장 검사(POCT) 기능을 갖춘 저렴하고 사용자 친화적인 랩온어칩 시스템의 개발이 매우 바람직합니다3.
세계보건기구(WHO) 지침에 따르면 이상적인 POCT는 저렴하고, 사용자 친화적(최소한의 교육으로 사용하기 쉬움), 정확(위음성 또는 위양성 결과 방지), 빠르고 견고해야 합니다(우수한 재현성 보장). , 전달 가능(장기 보관이 가능하고 최종 사용자가 쉽게 얻을 수 있음)4. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 POCT 시스템은 수동 개입을 줄이기 위한 다기능 분배, 정확한 테스트 결과를 위해 시약 운송을 비례적으로 제어하는 주문형 릴리스, 환경의 진동에 저항하는 견고한 작동 등의 기능을 제공해야 합니다. 현재 가장 널리 사용되는 POCT 장치는 모세관력을 통해 사전 고정화된 시약에 반응하면서 매우 적은 양의 샘플을 앞으로 이동시키는 여러 층의 다공성 니트로셀룰로오스 멤브레인으로 구성된 측면 흐름 스트립5,6입니다. 비용이 저렴하고 사용하기 쉽고 빠른 결과의 장점을 제공하지만 플로우 스트립 기반 POCT 장치는 다단계 반응 없이 생물학적 분석(예: 포도당 수준 테스트7,8 및 임신 테스트9,10)에만 적용할 수 있습니다. (예: 다중 시약 로딩, 혼합, 다중 반응). 또한 유체의 움직임(즉, 모세관력)을 제어하는 원동력은 특히 서로 다른 배치 간에 좋은 일관성을 제공하지 않아 재현성이 떨어지고 측면 흐름 스트립을 주로 정성적 검출에 유용하게 만듭니다.
고급 마이크로 및 나노 규모 제조 기능으로 인해 정량적 측정을 위한 미세유체 기반 POCT 장치를 개발할 수 있는 기회가 생겼습니다. 계면 특성18,19 및 채널20,21,22의 형상을 조정하여 이러한 장치의 모세관 힘과 유속을 제어할 수 있습니다. 특히 습윤성이 높은 액체에 대한 견고성은 제조 부정확성, 재료 결함 및 환경 진동에 대한 민감성으로 인해 여전히 허용되지 않습니다. 더욱이, 모세관 흐름은 액체-공기 경계면에서 생성되므로, 특히 미세유체 채널이 액체로 채워진 후에는 추가 흐름이 도입될 수 없습니다. 결과적으로 보다 복잡한 분석을 달성하려면 여러 샘플 도입 단계를 수행해야 합니다24,25.
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>
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