醫(yī)學(xué)診斷的前沿之一是努力開發(fā)更敏感的血液測試。檢測極其罕見的蛋白質(zhì)的能力可能在許多情形下，比如早期檢測某些癌癥或者診斷創(chuàng)傷性腦損傷以挽救生命，在這些情形下，相關(guān)的生物標(biāo)志物僅以極少量出現(xiàn)。超敏感蛋白質(zhì)檢測的商業(yè)方法開始變得可用，但是它們基于昂貴的光學(xué)器件和流體處理器，這使得它們相對笨重且昂貴，從而限制它們在實驗室環(huán)境下的使用。

具有這類作為即時檢測設(shè)備的診斷系統(tǒng)對許多疾病（特別是創(chuàng)傷性腦損傷）至關(guān)重要。在一項新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種使用現(xiàn)成組件并能夠在幾分鐘內(nèi)檢測單個蛋白質(zhì)的測試方法，而傳統(tǒng)的工作流程可能需要數(shù)天時間。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年3月5日的PNAS期刊上，論文標(biāo)題為“Mobile platform for rapid sub–picogram-per-milliliter, multiplexed, digital droplet detection of proteins”。論文通訊作者為賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系助理教授David Issadore。論文第一作者為賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系研究生Venkata R. Yelleswarapu。

通過使用標(biāo)準(zhǔn)的手機攝像頭和一組頻閃LED燈，再結(jié)合實驗室所用的微流體液滴發(fā)生器，Issadore及其團隊開發(fā)出一種比標(biāo)準(zhǔn)蛋白測試方法靈敏一千倍的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是手持式的，而且比當(dāng)前首次推入市場的最先進的蛋白質(zhì)測試方法便宜得多。

作為標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)檢測方法，酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）涉及將抗體附著到感興趣的蛋白質(zhì)上，隨后測量在與這些抗體連接在一起的酶的作用下，樣品發(fā)生的顏色變化。這個過程快速而簡單，足以整合到即時檢測設(shè)備中，比如家庭HIV測試，但是僅當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度很高時才能起作用。

目前很少有創(chuàng)傷性腦損傷的生物標(biāo)志物，這是因為這種損傷的蛋白質(zhì)標(biāo)志物很少能夠通過血腦屏障。醫(yī)學(xué)人員最近才證實任何此類標(biāo)志物都可用于血液測試，并且鑒于它們的超低濃度，這類測試需要比標(biāo)準(zhǔn)的ELISA陣列靈敏得多。

Issadore說，“敏感度要高出一千倍，我們的意思是如果我們有一小瓶僅有少量相關(guān)蛋白質(zhì)的血液，那么我就能夠準(zhǔn)確地確定這些蛋白質(zhì)的數(shù)量，然而，傳統(tǒng)的測試方法無法可靠地區(qū)分這小瓶血液和里面沒有這些蛋白的血液。當(dāng)人們不斷地增加這些蛋白質(zhì)的數(shù)量時，傳統(tǒng)的測試方法將最終能夠檢測它們，但是相比而言，我們能夠在濃度低一千倍的情形下定量檢測它們的數(shù)量。”

Issadore的方法是每次測量一種蛋白質(zhì)，將樣品分解成微液滴（microdroplet），每個微液滴要么含有單個蛋白質(zhì)，要么根本不含有。他的實驗室在微流體技術(shù)方面的專業(yè)知識已制造出經(jīng)蝕刻后具有數(shù)百個微液滴發(fā)生器的微芯片，其中所有的這些微液滴發(fā)生器是都并行工作的。

Issadore說，“通常情況下，你必須非常準(zhǔn)確地測量樣品發(fā)生顏色變化或發(fā)出熒光，但是在這項新的研究中，我們將它變成了數(shù)千萬個是或否的問題。將這個問題數(shù)字化降低了攝像頭和周圍流體處理設(shè)備的成本，但是會將這個問題以一種可重復(fù)的、準(zhǔn)確的、便宜的和便攜的方式轉(zhuǎn)化為如何處理這數(shù)千萬個是或否的問題。”

雖然現(xiàn)成的攝像頭可以檢測微液滴是否含有熒光標(biāo)記物結(jié)合的蛋白質(zhì)，但最大的挑戰(zhàn)是加快這一過程。現(xiàn)有的數(shù)字液滴檢測器將這些微液滴排成一行，這樣就以一次一個微液滴的方式測量它們。這樣的系統(tǒng)是準(zhǔn)確的，但體積大且昂貴。它們也具有有限的通量，這是因為以一次一個微液滴的方式需要觀察數(shù)百萬個微液滴。Yelleswarapu說，“如果需要測量5000萬個微液滴，那么按照常規(guī)技術(shù)的通量，一秒測1000個微液滴仍然是相當(dāng)慢的。”

這些研究人員讓這些微液滴流進數(shù)百個允許攝像頭同時經(jīng)過的通道而不是一個通道中。然而，面臨的瓶頸是攝像頭如何能夠快速地捕獲這些數(shù)據(jù)。

Yelleswarapu說，“通常而言，這不會起作用，這是因為在從普通攝像頭的曝光時間內(nèi)來自兩個彼此相鄰的微液滴的信號會重疊。手機攝像頭每秒拍攝大約一百張圖片，這對于我們解決這些微液滴來說太慢了。但是如果你用來照亮微液滴閃光燈的光源比手機攝像頭的幀頻快一千倍，那么你就能夠使用這種手機攝像頭。”

讓Issadore團隊的方法發(fā)揮作用的技巧是用一種信號對微液滴閃光燈進行編碼，這種信號可以讓彼此相鄰的微液滴分離開來。

Issadore說，“通過一種借鑒雷達的技術(shù)，我們以一種非常特殊的從不重復(fù)的模式對光線進行選擇。當(dāng)這些信號穿過屏幕時，它們會印上這個條形碼。因此即便它們彼此重疊，我們也能夠通過哪個選通脈沖照亮每個微液滴來區(qū)分它們。”

Issadore團隊之前已發(fā)表過關(guān)于創(chuàng)傷性腦損傷標(biāo)志物的文章，并且正在與長老會醫(yī)院（Presbyterian Hospital）一起研究腦損傷患者。他們還在成立了一家衍生公司Chip Diagnostics，旨在為早期癌癥診斷和創(chuàng)傷性腦損傷開發(fā)檢測試劑盒。