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核酸检测实验室自动化的最新发展和趋势

发布时间:2022-06-10 15:24


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核酸检测技术以特定的核酸为目标,包括许多步骤,如样品处理、核酸提取、扩增和检测。在临床实践和其他生物分析领域,从样本中提取的核酸被用作扩增模板,这些结果将成为疾病诊断和其他生物分析的重要依据。与传统的细胞检测和免疫检测相比,核酸检测具有更高的灵敏度和特异性,检测速度快,广泛应用于传染病和遗传病的诊断和筛查、肿瘤分子诊断以及生物学和医学研究。

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


3、Point-of-care testing

(POCT)护理点检测


5、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。


01


全过程自动化系统及综合检测机


(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。


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

排版校对 | 曼森生物刘娟娟编辑

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