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Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4902 (2022) Citar este artigo

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6 Altmétrica

Detalhes das métricas

Um sistema lab-on-a-chip com capacidade de teste Point-of-Care oferece potencial de diagnóstico rápido e preciso e é útil em ambientes com recursos limitados, onde equipamentos biomédicos e profissionais qualificados não estão prontamente disponíveis. No entanto, um sistema de teste Point-of-Care que possua simultaneamente todos os recursos necessários de distribuição multifuncional, liberação sob demanda, operações robustas e capacidade para armazenamento de reagentes de longo prazo ainda é um grande desafio. Aqui, descrevemos uma tecnologia de interruptor acionado por alavanca de filme que pode manipular líquidos em qualquer direção, fornecer resposta de liberação precisa e proporcional à pressão pneumática aplicada, bem como manter a robustez durante movimentos e vibrações abruptos. Com base na tecnologia, também descrevemos o desenvolvimento de um sistema de reação em cadeia da polimerase que integra as funções de introdução, mistura e reação de reagentes em um único processo, que realiza o desempenho de "amostra em resposta" para todas as amostras clínicas nasais de 18 pacientes com Influenza e 18 controles individuais, em boa concordância da intensidade de fluorescência com reação em cadeia da polimerase padrão (coeficientes de Pearson > 0,9). A plataforma proposta promete automação robusta da análise biomédica e, portanto, pode acelerar a comercialização de uma variedade de dispositivos de teste Point-of-Care.

Doenças humanas emergentes, como a pandemia de COVID-19 de 2020, que levou à perda de milhões de vidas, são uma grande ameaça à saúde global e à civilização humana1. A detecção precoce, rápida e precisa de doenças é fundamental para controlar a propagação de um vírus e para obter melhores resultados de tratamento. Os principais ecossistemas de diagnóstico baseados em laboratórios centralizados, onde as amostras de teste são enviadas para hospitais ou clínicas de diagnóstico e são operadas por profissionais, atualmente limitam o acesso a cerca de 5,8 bilhões de pessoas em todo o mundo, principalmente aquelas que vivem em locais com poucos recursos e sem equipamentos biomédicos caros e clínicos qualificados2. O desenvolvimento de um sistema lab-on-a-chip de baixo custo e fácil de usar com capacidade de teste no ponto de atendimento (POCT) que forneça aos médicos informações diagnósticas oportunas para tomar decisões informadas sobre diagnóstico e tratamento é, portanto, altamente desejável3.

As diretrizes da Organização Mundial da Saúde (OMS) afirmam que um POCT ideal deve ser acessível, fácil de usar (fácil de usar com treinamento mínimo), preciso (evitar resultados falso-negativos ou falso-positivos), rápido e robusto (garantir boa reprodutibilidade) , e entregável (capaz de armazenamento a longo prazo e facilmente obtido pelos usuários finais)4. Para atender a esses requisitos, os sistemas POCT devem oferecer os seguintes recursos: distribuição multifuncional para diminuir a intervenção manual, liberação sob demanda para controlar proporcionalmente o transporte de reagentes para resultados de teste precisos e operações robustas para resistir a vibrações do ambiente. Os dispositivos POCT mais amplamente utilizados atualmente são tiras de fluxo lateral5,6 consistindo em várias camadas de membranas de nitrocelulose porosas que conduzem quantidades muito pequenas de amostra para a frente, enquanto reagem a reagentes pré-imobilizados por meio de uma força capilar. Embora sejam de baixo custo, fáceis de usar e ofereçam as vantagens de resultados rápidos, os dispositivos POCT baseados em tiras de fluxo só podem ser aplicados a bioensaios (por exemplo, teste de nível de glicose7,8 e teste de gravidez9,10) sem a necessidade de reações em várias etapas (por exemplo, carregamento de multi-reagentes, mistura, reação multiplexada). Além disso, a força motriz para controlar o movimento do fluido (ou seja, força capilar) não oferece boa coerência, especialmente entre lotes diferentes, resultando em baixa reprodutibilidade11 e tornando as tiras de fluxo lateral úteis principalmente para detecções qualitativas12,13.

Os recursos avançados de fabricação em micro e nanoescala criaram oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos POCT baseados em microfluidos para medições quantitativas14,15,16,17. Ao ajustar as propriedades interfaciais18,19 e a geometria dos canais20,21,22, a força capilar e a taxa de fluxo desses dispositivos podem ser controladas. Sua robustez, especialmente para líquidos altamente umectantes, ainda não é aceitável, no entanto, devido à sua imprecisão de fabricação, imperfeições do material e suscetibilidade a vibrações ambientais23. Além disso, como o fluxo capilar é gerado na interface líquido-ar, fluxos adicionais não podem ser introduzidos, principalmente depois que os canais microfluídicos são preenchidos com líquido. Como resultado, várias etapas de introdução de amostras devem ser realizadas para alcançar um ensaio mais complexo24,25.

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>