核酸检测实验室自动化的最新发展和趋势

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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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