冠狀病毒SARS-Cov2的形態(tài)特征。圖片來源：美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心

冠狀病毒(新冠肺炎)信息簡(jiǎn)而言之：
新冠肺炎冠狀病毒是一種傳染病，可導(dǎo)致嚴(yán)重疾病，特別是對(duì)老年人和有潛在醫(yī)療問題的人。
我們知道病毒的基因序列，以及它的形態(tài)和傳播機(jī)制。
微流體用于傳染病建模和治療，也可以應(yīng)用于新冠肺炎

1. 簡(jiǎn)介：診斷冠狀病毒

冠狀病毒病(新冠肺炎)是一種傳染病，在大多數(shù)人中會(huì)導(dǎo)致輕到中度的呼吸道疾病。它會(huì)導(dǎo)致老年人以及那些有心血管疾病、糖尿病、慢性呼吸系統(tǒng)疾病和癌癥等潛在醫(yī)療問題的人患上嚴(yán)重疾病。防止這種冠狀病毒傳播的最好方法是了解其傳播方式，并采取正確的預(yù)防措施。
由于冠狀病毒主要通過唾液傳播，或者當(dāng)感染者咳嗽或打噴嚏時(shí)從鼻子分泌，因此遵守嚴(yán)格的呼吸禮儀(例如，對(duì)著彎曲的肘部咳嗽)很重要，并通過洗手或頻繁使用含酒精的摩擦來保護(hù)自己和他人免受感染，不要接觸你的臉。目前，還沒有針對(duì)冠狀病毒感染的特定疫苗或治療方法，但幾項(xiàng)臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。冠狀病毒感染是根據(jù)病毒的基因組序列、其形態(tài)和疾病的特定癥狀來診斷的。通過結(jié)合微流控技術(shù)，傳統(tǒng)的基于生物化學(xué)的檢測(cè)可以更快地進(jìn)行，需要的樣本量更少。未來，可以使用人體細(xì)胞和組織在體外模擬感染，甚至可以通過微流體復(fù)制相連的器官系統(tǒng)。

2. 冠狀病毒診斷工具

根據(jù)中國(guó)的小型，在武漢的一個(gè)海鮮和動(dòng)物性食品市場(chǎng)出現(xiàn)首例肺炎病例群后，幾個(gè)研究小組著手找出病因。
最終，來自不同患者的病毒基因組草稿序列被存放在GenBank序列庫(kù)和關(guān)于共享所有流感數(shù)據(jù)的全球倡議(GISAID)數(shù)據(jù)庫(kù)中。冠狀病毒基因組序列與在蝙蝠中發(fā)現(xiàn)的一種已知的類似SARS的冠狀病毒有85%以上的序列相似性。研究表明，該病毒使用血管緊張素轉(zhuǎn)換酶II(ACE2)進(jìn)入宿主細(xì)胞，SARS-CoV也是如此，在之前的疫情中感染了8096人，造成774人死亡。由于冠狀病毒基因組已為科學(xué)界所知，第一批診斷測(cè)試的重點(diǎn)是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)序列特異性引物的使用。這些測(cè)試是在以前用于檢測(cè)以前SARS-CoV爆發(fā)的技術(shù)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的。在沒有商業(yè)測(cè)試的情況下，研究中心進(jìn)行了初步開發(fā)后，公司開始將冠狀病毒測(cè)試商業(yè)化，以便快速提供冠狀病毒測(cè)試。

首先，柏林查里特大學(xué)醫(yī)院的克里斯蒂安·德羅斯滕的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種實(shí)時(shí)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(RT-PCR)診斷測(cè)試，它構(gòu)成了25萬套試劑盒的基礎(chǔ)。在過去的幾周里，世界衛(wèi)生組織(WHO)將他們派往全球159個(gè)實(shí)驗(yàn)室。與此同時(shí)，香港大學(xué)的朱等人根據(jù)GenBank中保存的第一個(gè)序列，開發(fā)了兩種針對(duì)病毒基因組開放閱讀框架1b(ORF1b)和N區(qū)的一步定量RT-RT-PCR檢測(cè)方法。
除了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，幾家公司已經(jīng)開始開發(fā)商業(yè)規(guī)模的冠狀病毒檢測(cè)測(cè)試(例如，華大基因集團(tuán)，中國(guó)；阿爾托納診斷公司，德國(guó))。
除了傳統(tǒng)的基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的檢測(cè)外，一些公司，如美國(guó)的IDbyDNA，更喜歡使用元基因組學(xué)進(jìn)行冠狀病毒檢測(cè)-通過測(cè)序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雖然這種方法比聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)檢測(cè)更昂貴，但它承諾實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)中的內(nèi)容，從而在病毒基因組進(jìn)化時(shí)迅速更新。對(duì)遺傳變異的監(jiān)測(cè)還可以提供有關(guān)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的信息，并有助于跟蹤疫情的爆發(fā)。

3. 利用微流控技術(shù)檢測(cè)冠狀病毒

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
如上所述，目前大多數(shù)冠狀病毒檢測(cè)都是基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和實(shí)時(shí)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。設(shè)計(jì)了與新型新冠肺炎冠狀病毒及其密切相關(guān)病毒如SARS冠狀病毒的核糖核酸反應(yīng)的引物和探針組。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)物具有特定的大小，可通過熒光信號(hào)發(fā)射(RT-PCR)或經(jīng)典電泳法進(jìn)行檢測(cè)。與微流控相結(jié)合，可以加速聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，更快地(從大約1小時(shí)到不到10分鐘)獲得診斷測(cè)試結(jié)果，并具有更高的準(zhǔn)確性。
要想獲得更多洞察力，你可以去看看Elvesys的衍生公司BeforCure。BeforCure開發(fā)了一種超高速片上聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)系統(tǒng)(基于Fastgen技術(shù))，可以在不到30分鐘的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出SARS-CoV2等病原體。

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理

DNA測(cè)序
芯片上的DNA測(cè)序利用了DNA與其互補(bǔ)序列結(jié)合的事實(shí)。
該方法使用目標(biāo)DNA與之結(jié)合的固定化寡核苷酸探針。數(shù)千個(gè)已知序列的短DNA片段(寡核苷酸)在預(yù)先指定的位置結(jié)合到玻璃或硅表面。與未知序列的熒光標(biāo)記的目標(biāo)DNA孵育將導(dǎo)致該DNA與一組寡核苷酸探針結(jié)合，這可以通過它們的顏色變化(熒光)來識(shí)別。通過將這些信息傳遞給計(jì)算機(jī)來推斷目標(biāo)DNA的序列，并且根據(jù)與目標(biāo)結(jié)合的寡核苷酸模式來重構(gòu)目標(biāo)序列[7]。微流控套式聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和MiSeq測(cè)序能夠有效地跟蹤多種RNA病毒(包括冠狀病毒)在不同環(huán)境中的命運(yùn)。它具有很高的靈敏度(檢測(cè)下限在cDNA樣本中從10^0到10^3個(gè)副本/μL)，對(duì)于更好地了解人類致病核糖核酸病毒的循環(huán)是必不可少的。因此，DNA的微流控分析可用于發(fā)展冠狀病毒檢測(cè)，并提供有關(guān)感染率和感染來源的信息。

微流控DNA測(cè)序

酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)
酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA法)是一種酶免疫分析方法，利用針對(duì)待測(cè)蛋白質(zhì)的抗體來檢測(cè)液體樣本中是否存在配體。由于其高度的特異性和重復(fù)性，該方法被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和基礎(chǔ)生物學(xué)研究中。傳統(tǒng)的酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)(4-6小時(shí))，操作繁瑣，樣品/試劑體積大(～為100μl)，大大限制了其在臨床快速診斷中的應(yīng)用。

微流控輔助酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)可以克服這些缺點(diǎn)。當(dāng)免疫分析在反應(yīng)室(微流體通道)的表面上進(jìn)行時(shí)，微通道內(nèi)的毛細(xì)管力將試劑吸引到反應(yīng)室中，并且有助于分析孵化。因此，樣品體積可以減少20倍，從而總體節(jié)省5-10倍的試劑。
此外，分析時(shí)間可以減少50%以上，從而通過節(jié)省人工成本來降低總體成本。隨著越來越多關(guān)于冠狀病毒的信息可用，通過酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)檢測(cè)冠狀病毒成為可能。幾家公司已經(jīng)開始開發(fā)基于冠狀病毒表達(dá)的蛋白質(zhì)的診斷試劑盒(例如Biocell Biotech Co.)。

酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)檢測(cè)原理

4. 用微流控技術(shù)模擬冠狀病毒病
為了了解冠狀病毒的感染途徑并開發(fā)治療方法，科學(xué)家目前必須使用經(jīng)典的生化分析、2D細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物模型和艱苦的臨床研究。這個(gè)過程通常需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成，在此過程中，動(dòng)物會(huì)失去生命，而且這個(gè)過程往往無法預(yù)測(cè)人類的反應(yīng)，因?yàn)閯?dòng)物模型并不總是正確地模擬人類的病理生理。需要新的替代方法來模擬冠狀病毒的體外感染，以允許新藥的快速開發(fā)。

微流控技術(shù)可以在微尺度上重建復(fù)雜的細(xì)胞相互作用。通過組織工程和芯片器官技術(shù)的發(fā)展，可以重現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)、多細(xì)胞復(fù)雜性和生理上相關(guān)的生化作用力。組織工程學(xué)研究冠狀病毒傳染病的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是重建細(xì)胞微環(huán)境，包括生物、化學(xué)和物理線索。最近，微流控裝置已成功地用于基于細(xì)胞的病毒分析。發(fā)展微流控組織工程可以幫助了解冠狀病毒的進(jìn)入策略，感染是如何在人類細(xì)胞中持續(xù)存在的，這可能會(huì)加速新型抗病毒藥物的發(fā)現(xiàn)。

5. 冠狀病毒診斷和微流體學(xué)摘要

鑒于冠狀病毒的感染率很高，開發(fā)快速診斷工具對(duì)于快速識(shí)別和治療感染患者至關(guān)重要。微流體可以用來改進(jìn)現(xiàn)有的診斷工具，使它們更準(zhǔn)確、更高效、成本更低。此外，微流控組織工程可以用來破譯病毒進(jìn)入的策略，并幫助開發(fā)活性藥物。