核酸检测实验室自动化的最新发展和趋势
2022-09-15 来源:本站 点击次数:3562名词缩写释义
1、Whole process automation nucleic detection system
（WAS)全过程自动化核酸检测系统
2、Integrated nucleic acid detection machine
(IDM)集成核酸检测机
(POCT)护理点检测
4、High-efficiency particulate air filter
(HEPA)高效微粒空气过滤器
核酸检测主要包括三个步骤：
1）核酸提取，
2）扩增系统制备，
3）聚合酶链反应（PCR）扩增。
它主要在分子实验室的三到四个独立的封闭区域内完成。为了避免污染，科学家们穿过一条特殊的走廊，通过封闭区域之间指定的转移窗口转移材料。然而，随着核酸检测技术的不断进步，一种操作简单、耗时少、成本低的新型核酸检测系统有望问世。这种系统可以应用于护理点检测（POCT），无需专业操作员和精密辅助设备，甚至可以用于户外社区诊所。因此，整合核酸提取、扩增和检测的 POCT 核酸分析系统的研究已在世界范围内展开。越来越多来自各个领域的研究人员致力于这项研究，并致力于解决核酸检测应用中的许多问题。
随着 COVID-19 在世界各地的爆发，核酸检测需求的突发性增长给各个国家和机构带来了巨大压力。实验室检查员每天必须完成数千到数万次核酸检测。这种高强度的工作和巨大的感染风险将导致新的问题和隐患。因此，各个公司和科研机构都开发了核酸检测的全过程自动化系统。同时，为了满足现场快速检测的需要，还开发了集成快速检测仪器。
（1）全过程自动化核酸检测系统（WAS）
WAS 包括核酸提取、扩增系统制备和核酸扩增分析模块。每个模块相对独立，通过机械自动化和集成，所有模块都由自动化中心控制，以利用自动化甚至无人系统。WAS 具有以下优点：自动化程度高；生物安全风险低；高通量系统。高通量是这个系统最显著的特点。
（2）集成核酸检测机（IDM ）
WAS 涉及的检测流程环节多，要求一定的空间，影响了其在护理点检测（POCT）中的应用。IDM 体积小，自动化程度高，生物安全风险低。该集成机器还可以完成核酸检测的所有程序。然而，与 WAS相比，IDM 是一个独立的设备，IDM 中的每个模块不是独立的，而是集成到系统中。这两种检测系统功能相似，但适用于不同的场景。WAS 由三个或更多模块组成，该系统通常用于大型医院和机构中的大量样本的快速检测和筛查。由于占用空间大，该设备经常安装在独立的房间或空间中。IDM 是一种独立的设备，主要用于社区检测机构、现场检测和 POCT。
02 核酸检测系统的原理及发展现状
核酸检测自动化系统的组成和原理如图（Fig.1）所示。根据工作流程，系统可分为四个独立工作的模块：自动分配（分杯）、自动核酸提取、自动扩增系统制备和自动扩增分析模块。各模块之间的物料通过搬运装置（机械手或专用输送机）进行输送，各模块由主控终端通过通信总线进行协调。为了防止污染和生物安全风险，每个模块或系统独立采用高效微粒空气过滤器（HEPA）来保持负压。核酸提取过程旨在从样本中分离和纯化核酸，包括 DNA 和 RNA，以满足扩增要求。PCR或其他技术用于执行特定的核酸扩增步骤，并通过测量荧光信号或其他信息来检测结果。
随着分子生物学技术的发展，检测方法越来越多。然而，大多数核酸检测的目标是从生物样本中获得高度纯化的核酸模板。核酸模板的质量对检测灵敏度和特异性有重要影响。因此，核酸提取方法是核酸检测过程中的关键部分。世界各地的研究人员投入了核酸提取的研究和方法开发，并长期探索提取试剂和材料的应用。人们发明了一系列经典的核酸提取方法，如苯酚/氯仿提取法、硅胶基质法、磁珠法和阴离子交换法。随着微加工技术的进步，磁珠提取方法得到了广泛的认可。大多数核酸检测仪器都采用了磁珠提取系统。
核酸扩增是核酸检测中最常用的方法，而 PCR 是 DNA 或 RNA 扩增中应用最广泛的技术。PCR 是一种体外酶法合成特定片段的方法。它由几个连续反应组成，包括高温变性、低温退火（复性）和适当的温度延伸。扩增产物可以是一种新的模板，允许快速扩增目标 DNA。该方法特异性强、灵敏度高、操作简单、省时。大多数自动化仪器中的扩增方法是实时 PCR。近年来，大量放大步骤和探针的使用使得能够同时检测多个目标。此外，等温扩增引起了越来越多的关注。与其他方法相比，该方法成本更低、耗时更少，同时需要更简单的设备和更方便的操作。
↑↑图片为曼森生物自主研发核酸检测自动化扫描机器人
03.主流产品
Mainstream products
大多数自动化仪器由四个模块组成：样品引入、样品转移、样品纯化和放大检测。从样品转移、样品制备、放大检测、结果计算到数据上传的整个过程都可以自动化。大多数仪器中唯一的手动操作步骤是将试剂耗材和样品管放入自动仪器中。这些系统是完全自动化的测试平台，真正实现了“样本输入和结果输出”，可以应用于具有不同测试通量（低、中或高）的实验室的需要。用户定义的工作流程和全面的检测菜单可以同时进行多种病原体的检测。
这些仪器的操作步骤、核酸提取、扩增系统制备和 PCR 扩增几乎相同。磁性玻璃珠可以结合带负电荷的核酸，适合在自动化仪器中提取核酸。自动化步骤的目的是移动试剂管和转移液体，不同仪器的操作顺序略有不同。虽然在一些系统中已经应用了几种等温扩增方法，但 PCR 扩增仍然是检测的首选方法。在这些仪器中，Cobas 8800 具有最大的样品装载能力。大样本装载能力允许人员离开机器 8 小时或更长时间，这为该系统提供了过载样本筛选的明显优势。Panther Fusion Assays 和 ANAS9850 可以在 8 小时内完成 500–600 个样本的检测。
GeneXpert Infinity-80 系统（Fig 2c）是最著名的 POCT 产品。POCT 产品的特点是“样品输入，结果输出”。该仪器由一个特殊的微流控试剂盒和一个积木反应模块组成。样品制备、核酸提取纯化、扩增试剂制备、扩增检测均在专用试剂盒中完成。独立的反应单元可以在不受批次限制的情况下进行及时检测。
Cobas 6800/8800（罗氏）（Fig 2a）、NeuMoDxTM 288（Qiagen）（Fig 2b）、Panther Fusion Assays（Hologic）（Fig 2d）、ANAS9850（AmpllyBiotech，中国）（Fig 2e）、AutoMolec 3000/1600（Autobio Diagnostics，中国）、AutraMic mini（Liferiver，中国）（Fig 2g）、AutoSAT（Rendu，中国）（Fig 2h），和高保护水平核酸自动检测系统（Cohere，中国）（Fig 2i）。
尽管检测能力低于其他系统，但在特定条件下仍有广泛的应用前景，例如初级诊所和其他没有分子生物学实验室的医院。Panther Fusion system 增加了在单一全自动平台上运行实时 PCR、转录介导扩增（TMA）和 RT-TMA 分析的能力。此外，患者样本到达实验室后，可以立即加载到 Panther 系统进行测试，这可以提高效率和工作流程。
ANAS985 于 2015 年获得 CFDA 批准。它是中国最早的集成核酸检测机。从样本输入到 PCR 定量报告的整个过程是自动化的，3 小时内可以检测到 96 个样本。Rendu 的 AutoSAT 符合仪器的原始管装载要求。与其他系统不同，该系统的扩增方法是等温扩增。这台机器可以在 24 小时内完成 500-700 次检测。高保护水平核酸自动检测系统由上海 Cohere 电子技术公司和上海科技大学共同开发。结合机械自动处理系统，构建了一套 P2+生物防护等级的全自动核酸检测平台系统。该检测系统是专门为 COVID-19 开发的，该平台还可以用于高通量无人检测其他病原体，从而有效降低操作员之间的感染风险。该系统可以满足不同应用场景和检测量的需要。每种产品的性能参数比较如下（表 1）。
04.核酸自动检测系统展望
Prospect of automatic nucleic acid detection system
自动检测系统正朝着更好的特异性、更高的灵敏度、更快的检测速度和更低的价格发展。满足不同应用场景的需求将是未来产品开发的重点。目前，在自动检测系统中，样本核酸提取步骤花费的时间最多。因此，通过优化提取方法和自动化设备，核酸提取可以节省时间。同时，可以在系统中使用更合适的生物安全保护策略，以防止样本之间的交叉污染，降低生物安全风险。通过改进和优化核酸扩增技术，可以提高扩增反应的特异性和敏感性。新兴病原体检测和新亚型检测的发展对于满足不同机构的需求也很重要。结合 CRISPR 技术、第三代测序、生物传感器、纳米技术、微流体技术和其他分析技术，将实现对不同检测目标的更精确检测。还需要进一步提高仪器的自动化效率。通过结合新的信息处理、传输技术和人工智能技术，这些仪器将更加方便使用。随着当前大流行的全球传播，对实时诊断技术的需求正在增加。准确、快速、易用、易于推广的实时疾病诊断技术将成为研究人员关注的焦点。许多国家投入巨资研发新的体外诊断产品，并为预防和控制新出现的传染病建立了一个可持续的平台，以应对未来更严峻的挑战。
信息来源：：X. Yuan, G. Sui, D. Zhang et al. Recent developments and trends of automatic nucleic acid detection systems.Journal of Biosafety and Biosecurity,Journal of Biosafety and Biosecurity 4 (2022) 54–58
文献来源 | 本文由中科院上海生命科学信息中心与上海曼森生物合作供稿
内容审核 | 曼森生物郝玉有博士
排版编辑 | 曼森生物刘娟娟编辑
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