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利用分子檢測(cè)技術(shù)幫助醫(yī)生更快、更準(zhǔn)確地進(jìn)行患者診斷
發(fā)布時(shí)間:2020-06-15 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】即時(shí)醫(yī)療分子診斷(PoC)的市場(chǎng)增長(zhǎng)主要由以下因素推動(dòng):傳染病的高患病率;對(duì)個(gè)性化醫(yī)療的認(rèn)識(shí)和接受程度不斷提升;隨著分子技術(shù)的進(jìn)步,診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和便攜性提高。PoC分子診斷技術(shù)可以幫助醫(yī)生在患者首次就診時(shí)快速做出診斷和治療決策,患者無(wú)需等待數(shù)天才能獲知檢測(cè)結(jié)果,從而提高了醫(yī)療水平。本文將簡(jiǎn)要介紹這種檢測(cè)方法,并詳細(xì)介紹此類(lèi)儀器主要模塊中的一些實(shí)際應(yīng)用器件。
圖1:PoC分子診斷分析儀工作流程簡(jiǎn)圖
從更高的層面來(lái)說(shuō),生物樣本可能不具有足夠的目標(biāo)DNA導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)光學(xué)熒光手段檢測(cè)。因此,需要經(jīng)過(guò)DNA擴(kuò)增(克隆/復(fù)制)后才能進(jìn)行分析。兩種主要的擴(kuò)增技術(shù)為聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)和環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增(LAMP)。
PCR和LAMP擴(kuò)增技術(shù)需要利用一些加熱和冷卻元件。PCR擴(kuò)增技術(shù)需要使用熱電冷卻器(TEC),TEC通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的溫度條件變化進(jìn)行熱循環(huán),包括將樣本加熱至95°C,冷卻至50°C-56°C,以及保持在72°C恒定溫度下。重復(fù)此循環(huán)過(guò)程可以產(chǎn)生數(shù)十億個(gè)DNA拷貝。在LAMP擴(kuò)增過(guò)程中,加熱和冷卻元件將樣本保持在60°C-65°C的恒定溫度下。避免熱循環(huán)有助于加快這一反應(yīng),但需要一組更高級(jí)的引物。
圖2所示為PoC分子診斷分析儀的傳感器前端/TEC單元的示意圖,其基于TIDDC112電流輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及TI電流驅(qū)動(dòng)器、精密放大器和溫度傳感器。
圖2:PoC分子診斷分析儀的傳感器前端系統(tǒng)框圖
TEC單元的正常運(yùn)行需要具備高水平的溫度精度,以監(jiān)測(cè)核酸擴(kuò)增過(guò)程所需的加熱和冷卻。TMP117數(shù)字傳感器在-40°C至100°C的溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±0.1°C的典型精度以及±0.2°C的最大精度。該器件具有集成的16位ADC,可通過(guò)I2C或SMBus與數(shù)字元件通信。TMP117專(zhuān)為電池供電的系統(tǒng)而設(shè)計(jì),在關(guān)機(jī)時(shí)具有150 nA的靜態(tài)電流消耗,并且每1Hz轉(zhuǎn)換周期只需要3.5µA。
TPS54201提供恒定電流(1.5A)驅(qū)動(dòng)DRV8873來(lái)運(yùn)行高效的加熱和冷卻元件,從而驅(qū)動(dòng)TEC。DRV8873由四個(gè)N溝道MOSFET組成,它們以高達(dá)10A的峰值電流雙向驅(qū)動(dòng)電機(jī),并具有集成電流感應(yīng)等功能,無(wú)需兩個(gè)外部并聯(lián)電阻,從而節(jié)省了材料成本和空間。如需了解更多信息,請(qǐng)參考以下應(yīng)用指南。
當(dāng)擴(kuò)增發(fā)生時(shí),針對(duì)病原體標(biāo)簽序列的熒光標(biāo)簽會(huì)被光源激發(fā);單個(gè)光電二極管或一組光電二極管能夠檢測(cè)到熒光。信號(hào)水平會(huì)隨著擴(kuò)增時(shí)間或周期而變化,從而指示樣本中特定病原體的初始濃度。在擴(kuò)增過(guò)程的早期階段,僅用樣本中的幾個(gè)目標(biāo)DNA片段就可以檢測(cè)出這種信號(hào)水平,進(jìn)一步縮短了獲得陽(yáng)性結(jié)果(鑒定出目標(biāo)基因組物質(zhì))所需的時(shí)間。DDC112系列器件可以對(duì)1到256個(gè)二極管的電流進(jìn)行采樣,并將電流放大器和ADC集成到一個(gè)電路中。這些器件具有非常低的輸入?yún)⒖荚肼暎ㄔ诰礁F磁安培范圍內(nèi))、低輸入偏置電流(0.1 pA)以及具有高達(dá)24位分辨率的高線性度ADC。
此類(lèi)檢測(cè)涉及的復(fù)雜性跨越多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域,本文在此不做深入探討。但盡管如此,我們希望本文能夠在您為儀器設(shè)計(jì)選擇比較關(guān)鍵的電子器件時(shí)提供幫助。
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