综述：关于基于纸质微流控技术的即时检测设备在传染病检测中的应用研究

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：An Expedition on Paper-Based Microfluidic Point-of-Care Testing Devices for the Detection of Infectious Diseases

基于微流体的纸质即时检测（μPADs）在传染病筛查中的应用与挑战

　　

Mohd Rizwan|Ghanshyam Das Gupta|Sant Kumar Verma

印度莫加ISF药学院药学化学与分析系，142 001（旁遮普邦）

摘要

基于纸张的微流控设备（μPADs）是即时检测（POCT）的变革性工具，在分析和临床领域推动了快速检测的发展。基于纸张的POCT设备代表了一种可扩展、易于获取且可靠的诊断方法，具有检测多重传染病的能力，并能提供关于风险和缓解措施的见解。本文综述了μPADs在快速、经济高效和灵敏的传染病检测方法方面的最新进展，包括结核病、疟疾、登革热、梅毒、流感、肝炎、莱姆病、霍乱、寨卡病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）、埃博拉病毒、冠状病毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）、人乳头瘤病毒（HPV）以及水传播病原体。

引言

传染病可以呈指数级传播，持续存在，并对全球公共卫生构成日益严重的威胁，是全球发病率和死亡率的主要原因[1]。像病毒、细菌和寄生虫这样的传染性病原体能够通过人类迁移在相对较短的时间内引发全球性疫情，对人类健康构成严重威胁，并显著增加了全球的疾病和社会经济负担。在资源有限的环境中，对这些疾病的监测和及时诊断对于减少其传播性和减轻其影响至关重要[2]。

传统的诊断和检测技术，如免疫测定法（包括酶联免疫吸附测定法ELISA）、高通量免疫测定法、逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）、聚合酶链反应（PCR）、DNA测序、培养方法和质谱（MS），长期以来一直是传染病识别的基础[3]。然而，这些方法主要局限于集中式的临床实验室，需要熟练的人员和昂贵复杂的设备，操作繁琐且耗时。这些限制阻碍了及时决策、适当治疗和迅速运输的实现，导致样本失效、结果不佳以及许多流行地区的临床决策延迟[4]。创新的诊断技术具有可负担性、灵敏度、特异性、用户友好性、快速性、可靠性以及可在现场使用的特点。它们应满足世界卫生组织（WHO）推荐的“ASSURED”标准[3, 4]。在这方面，基于微流控技术的纸质分析设备（μPADs）在过去十年中已成为变革性工具，通过毛细驱动的流动机制和紧凑的集成格式实现了从传统诊断向分布式现场检测的转变，且材料成本低廉[5]。

基于微流控技术的纸质平台具有多种优势。其多孔的纤维素基底允许液体被动吸移，无需外部泵，特别适合在偏远地区使用[6]。所需的试剂和样本量极少（通常在微升或纳升范围内），支持高分析灵敏度，同时降低成本和浪费。此外，通过蜡印刷和喷墨沉积等图案化技术可以定制复杂的通道结构和多重检测区域，从而能够使用单一平台同时分析多种病原体或生物标志物，具有筛查和诊断的潜力[4]。

基于纸张的分析设备通过创新的生化检测方法得到了改进，例如等温核酸扩增技术（如环介导的等温扩增LAMP和重组酶聚合酶扩增RPA），这些技术在恒定温度下运行，解决了PCR和热循环仪中的热循环限制。这些μPADs中的等温扩增技术可用于检测病毒核酸和蛋白质标志物，有助于快速应对疫情并在资源有限的环境中降低死亡率[7, 8, 9]。CRISPR-Cas系统被用于高灵敏度和快速检测特定序列的核酸，提供直观的视觉或荧光读数[3]。这些分子技术能够在感染早期阶段快速识别病原体，此时病毒或细菌载量可能较低，从而缩短检测窗口期并提高患者依从性。基于纸张的即时检测（POCT）设备在结核病和耐药性指标[10]、RSV和SARS-CoV-2抗原[11]、寨卡病毒和基孔肯雅病毒[12]、登革热和黄热病病毒[13, 14]、梅毒和HIV[15]以及水传播病原体（如伤寒沙门氏菌、嗜肺军团菌和蓝氏贾第虫[16]）的多重检测能力显示出显著潜力，尤其是在临床症状重叠和共感染普遍存在的综合征情况下。多重检测平台结合了空间分辨的检测区域或多信号编码策略（如比色、荧光或电化学），能够同时检测多种病原体，包括病毒（如SARS-CoV-2、HIV、寨卡病毒）、细菌（如结核分枝杆菌）和寄生虫（如疟原虫）[17]。

这种多重检测功能使得在一次检测中完成全面筛查，从而改进诊断并减少对多个样本的需求。这些设备提供了用户友好的界面，支持定量分析和数据传输，以便进行流行病学追踪，并已逐步与便携式读数器和智能手机集成。尽管取得了这些进展，但在广泛使用和商业化方面仍存在一些挑战。需要系统性解决方案，包括确保一致的制造质量、与数字健康基础设施的集成、获得监管批准、在不同环境条件下的可靠性以及提高用户接受度。尽管如此，这种创新的诊断工具在传染病检测方面具有巨大潜力，特别是在资源匮乏的人群中。最终，它有助于加强全球健康监测和响应系统[3]。

关于μPADs用于传染病诊断的现有文献要么侧重于技术[18, 19, 20, 21, 22, 23]，要么侧重于生物标志物[24, 25, 26, 27, 28, 29]。本文介绍了一种基于疾病的、基于机制的分析框架，以理解针对传染病的有效μPAD策略的部署。它强调了μPADs在检测多种传染病（包括结核病、疟疾、登革热、甲型和乙型流感、梅毒、霍乱、莱姆病、埃博拉病毒、寨卡病毒、冠状病毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）、人乳头瘤病毒（HPV）以及水传播病原体监测方面的应用。还讨论了病原体生物学特性对μPADs检测能力的影响、特定μPAD的目标丰度、反应动力学和诊断性能。通过综合病毒、细菌和寄生虫感染的μPADs发展，本文指出了实际POCT测试中的限制、架构依赖的故障和关键设计规则。本文系统地概述了用于单一和多重传染病诊断的基于纸张的微流控POCT设备，并强调了最新进展，包括用于检测传染病的材料开发、基于微流控技术的设备操作、各种传染病的检测机制以及数字集成[3, 17]。

我们全面讨论了与基于纸张的微流控POCT平台部署相关的几个挑战，包括资源匮乏环境下的废物处理和生物安全限制[30]、保质期限制以及大规模生产障碍（如涂层均匀性和卷对卷制造的不一致性）。我们还讨论了在不受控制光照条件下荧光/比色信号解读的问题[31]、智能手机依赖性和数字鸿沟问题、热带气候下冻干试剂或纸固定试剂的不稳定性，以及由于纸张异质性导致的毛细流动变化[18]、定量挑战与定性读数之间的差异，以及多重检测中的交叉反应问题，特别是在黄病毒流行地区和蜡印刷、喷墨、卷对卷制造过程中的批次间变异性，并强调了针对复杂样本制备步骤的有限集成策略，以进一步提高诊断可靠性和POCT的适用性[32, 33]。

部分摘录

基于纸张的传染病即时检测

基于纸张的微流控POCT系统通过集成毛细驱动的流动机制实现了多种生物标志物的检测，彻底改变了单一和多重传染病的诊断方式。样本通过纸质微通道被推进到预装有试剂的检测区域（图1）。样本与固定试剂之间发生反应，产生清晰的、可见的、比色的或荧光的读数，实现快速检测

制造可扩展性、监管批准和商业化

基于纸张的POCT设备的最新进展表明，使用卷对卷蜡印刷、注塑和3D打印等稳健的高通量制造方法可以使制造更加可扩展。这些方法还提高了设备的耐用性并减少了变异性。为了可靠地扩大生产规模，需要简化并改进通道设计，并选择稳定且生物相容的材料。遵循标准协议、国际指南和WHO推荐的规范可以进一步增强这一点

未来展望

基于纸张的微流控POCT设备通过改进的集成、稳定性和灵敏度以及可扩展性，已经开发出来，实现了传染病的多重检测。结合利用现代移动设备的光学、计算和连接功能的智能手机平台关键技术，这些工具可作为便携式读数器，用于记录和测量检测信号，包括比色、荧光和电化学输出。

结论

基于纸张的微流控POCT设备已成为普及传染病诊断的重要工具，实现了高灵敏度、便携性和经济性的多重病原体检测。相比之下，传统的检测方法（如等温扩增技术、重组酶聚合酶扩增（RPA）和CRISPR-Cas检测方法）显著提高了分析性能。

CRediT作者贡献声明

Sant Kumar Verma：撰写——综述与编辑、可视化、监督、概念化。Mohd Rizwan：撰写——初稿、方法学、数据管理。Ghanshyam Das Gupta：撰写——综述与编辑、正式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

资金来源

本文未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

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