借助 LED 实现超快速聚合酶链式反应检测

Bridget Cunningham 2015年 8月 26日

聚合酶链式反应检测在医学和生物学研究领域有着广泛的应用。然而在过去,此类检测由于耗电量高且检测结果交付速度缓慢,因而只能在实验室中进行。加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种基于 LED (发光二极管)的新型聚合酶链式反应系统,此系统操作简便且结果交付速度较快,可被用于即时检测。

即时检测:集便利性与快速结果交付于一体

实验室检测结果有助于临床医生在对患者的病情有更深层次的认识,进而为患者制定最佳的治疗方法。然而,从检测开始到获取检测结果期间,往往需要一段等待时间——短则几小时,长则几天。由于临床医生在对患者的病情进行评估之前必须获得检测结果,所以这一等待期很可能会延误患者的治疗。

近年来,医疗行业从传统的实验室检测开始向快速的即时检测进行转变。即时检测 是指那些操作简便、可迅速交付检测结果、便于进行一系列设置,且无使用场合(家中、医院都可以)限制的检测方法。随着患者自己在其健康管理中扮演的角色愈加重要,这些检测手段加快了临床医生的决策过程,有助于他们更迅速地制定出治疗方案。正如美国国立卫生研究院在 2010 年报告中指出的那样,加速检测过程不仅可以大幅提升医疗效率,还可以解决不同患者健康状况差异带来的问题。

Blood glucose test strips 借助 LED 实现超快速聚合酶链式反应检测
一种简单的血糖检测方法。图像由 Karl101 自行拍摄,通过 Wikimedia Commons 共享。

那么如今有哪些即时检测已经成为现实了呢?血糖检测、妊娠检测、食物病原体筛查以及胆固醇筛查就是一些常见的例子。随着科技的不断进步,即时检测已成为越来越多的实验室进行临床测试的可行性选择。聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,简称 PCR)实验便是一个例子。

聚合酶链式反应实验的发展

聚合酶链式反应 是一种通过复制小片段 DNA 来生成满足分析需求的 DNA 序列的技术。这种 DNA 扩增方法依赖于热循环。将特定的 DNA 片段暴露于加热和冷却的重复循环,其分子大小便会以指数级扩增。

聚合酶链式反应技术最早可追溯到 H. Gobind Khorana 和 Kjell Kleppe 于 1966 年发布的研究成果。他们认为可以通过某个过程对 DNA 进行修复复制,即可以通过两个引物(短核酸序列)及 DNA 聚合酶(通过合成核苷酸来创建 DNA 分子的一种酶)将一个小的合成 DNA 分子复制成同样的两个,接着再复制成四个。

美国生化学家 Kary Mullis 以上述的初步研究作为基础对混合物进行了重复加热循环。他发现,DNA 序列可以通过这个循环过程被快速复制,且数量会随着时间的推移而激增。几年之后,一种具有热稳定性的 DNA 聚合酶 — Taq 聚合酶 被从这一过程中分离了出来。这种 DNA 聚合酶可自动在热循环仪中完成整个反应过程,使得增殖过程不再需要连续操作。

PCR tubes for testing 借助 LED 实现超快速聚合酶链式反应检测
Adding tubes to thermal cycler 借助 LED 实现超快速聚合酶链式反应检测
上图:聚合酶链式反应试管。图像由 Madprime 自行拍摄,通过 Wikimedia Commons 共享。下图:将 PCR 试管放入热循环仪中。图像由 Karl Mumm 自行拍摄,通过 Wikimedia Commons 共享。

聚合酶链式反应过程可以分解为以下步骤:

  1. 将目标 DNA 分子曝露于高温中,从而使双链 DNA 分子分离为两条单链——这一过程被称为 DNA 变性。DNA 分子须分离为单链才可进行复制。
  2. 降低反应温度,使引物退火并匹配初始 DNA 链的序列。随后,DNA 聚合酶将与退火引物结合。
  3. DNA 聚合酶以单链 DNA 分子与引物作为模板合成了一条新的 DNA 链。这一扩增过程将呈指数级增长。

PCR 检测已被广泛应用于医学及生物领域,其中包括 DNA 克隆、基因指纹识别、传染病检测与诊断。此类检测通常耗时约一小时,实验中使用的加热器不仅造价昂贵且耗电量巨大。因此,PCR 检测在过去的一段时间在并未被应用于即时检测。然而,一项最新的设计带来了此项技术新进展。

基于 LED 的设计拓宽了 PCR 实验的应用范围

加州大学伯克利分校的研究人员将目光转向了 LED 的力量,希望以此提高传统 PCR 测试的速度。在他们的实验中,研究人员将金沉积于具有微流壁的塑料芯片上形成薄膜。这些位于 LED 之下的微流壁被用于支撑 PCR 混合物和 DNA 样本。作为研究的一部分,研究人员使用 COMSOL Multiphysics 进行电磁仿真,以确定几何尺寸和材料参数。

将 LED 放置于适当的位置,位于镀金薄膜与 DNA 溶液界面中的电子便可被成功加热。这种现象可以用表面等离子体光子学 进行解释,此理论可描述金属表面光与自由电子之间的相互作用。曝露于光线下的自由电子被激发并开始振荡,从而产生热量。当灯光关闭时,自由电子停止振荡且不再产生热量。

研究人员发现他们的等离子体 PCR 系统有助于加速热循环过程,可以在几分钟内生成检测结果。将他们的设计与传统 PCR 检测进行比较,研究人员发现这两种方法都能很好地扩增 DNA 样本。除了操作简单、成本低廉、快速交付检测结果等优势,这一基于 LED 的系统还可以在实验室之外的各种环境中进行 PCR 检测。

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