微流控芯片技术可快速诊断多种植物病毒所引起的疾病

日本丰桥工业大学研究团队成功开发出可快速检测出作物疾病的微流控芯片，通过基因体研究、半导体技术的结合，可以快速在现场进行核酸测试，无须昂贵的设备资源和专业的知识技术，造福农民并且可以从栽植初期进行遗传检测。

随着世界人口快速增长，对食物供给的需求也在不断增加，但由于气候变迁的加剧所造成粮食产量下降的情况，已让粮食安全和永续供应成为全人类必须共同面临的重要课题。

    日本丰桥工业大学机械工程系的研究小组运用微流控芯片技术开发出一种能提早发现和预防作物疾病的多重基因检测设备，这项研究的主要目的是研发一种诊断技术，用来支持高效率且稳定的优质农作物生产，让即便是没有特殊专业知识、技能的一般农业生产者，也能从基因的角度，用轻松、快速的方式在现场即时检测植物病虫害。新型恒温核酸扩增技术（Loop-mediated isothermal amplification，LAMP）是检测目标核酸（DNA或RAN）的常用诊断方法之一，无需使用昂贵仪器和精准的温度控制进行PCR分析，在恒定温度下即可扩增目标基因，因此其在研发方便使用的检测工具和即时现场诊断方面皆具有相当大的发展潜力。然而一般的LAMP测定法的使用需要专门的知识和技能，而且对于每种目标病毒，皆必须分别准备大量的样品试剂混合物才能进行操作测试，故在运用上有一定的难度。

聚合酶链反应（PCR）是扩增特定核酸（DNA / RNA）靶标的最广泛使用的方法，特别是在生物科学和临床医学中，由于其具有高灵敏度，准确性和可靠性的优点。实时PCR，也称为定量PCR（qPCR），是最灵敏，最可靠的方法，可以在很宽的动态范围内实时检测和精确定量微量的目标DNA序列。而且，多重PCR允许在单个管中同时扩增不同的靶DNA序列。但是，为了避免错误的扩增和引物二聚化，需要针对每个靶序列仔细优化PCR反应。此外，数字PCR（dPCR）的最新问世提供了核酸靶DNA序列的高精度和绝对定量，而无需与标准品进行比较。因此，PCR也已成为用于检测和植物病毒[识别不可缺少的工具。

作为另一种基于核酸序列的扩增方法中，环介导等温扩增（LAMP）已经开发。在LAMP方法中，通过使用一组四到六个经过特殊设计的LAMP引物，可以在30-60分钟内将目标DNA的几个拷贝扩增约10 9次。其中包括两个内部引物，即FIP和BIP。两个外部引物F3和B3；在某些情况下，还需要一两个环引物LF和LB 。一般而言，该技术已显示出比常规PCR更为灵敏，但不如qPCR灵敏。同时，核酸的扩增可在等温条件（60–65°C）下进行，仅需简单的热水浴即可，无需昂贵的仪器（例如，热循环仪）即可在PCR中进行精确的温度控制和快速的热循环。因此，LAMP方法具有巨大的潜力，可提供一种经济高效且易于使用的诊断工具，并且只需很少的设备即可进行现场诊断。考虑到这一点，我们认为将LAMP集成到我们的微流诊断设备中比使用PCR更合适，以便无需技术专业知识即可进行现场诊断测试。

为此，研究团队开发出运用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）制造，约手掌大小的微流控芯片，装置由五个反应腔室和一个微流控通道组成并相互连接，期望通过半导体制程技术对植物相关疾病多重遗传检测做出贡献。关于其检测操作流程，第一步是从患病黄瓜叶中萃取出含有目标病毒的RNA，并以此作为试验样品，将样品和反应试剂混合置入检测芯片的样品投入口，样品和试剂会自动混合并分配到多个反应腔室中，以上动作仅需一次操作即可完成，再次将其放在热水中加热，即可在1小时内专一扩增目标核酸，进行快速检测。而该芯片具有能同时检测多达四种不同类型植物病毒疾病的能力。

这个检测设备的用途相当广泛，不仅可以用于农作物病毒疾病的遗传检测，还可以应用于横跨农业、畜牧、渔业、食品工业以及健康医疗，包括人类传染疾病在内的各领域的遗传诊断。研究团队表示未来还计划进一步开发能够同时诊断四种不同黄瓜病毒加上四种害虫所引起的共八种植物相关疾病的即时检测设备，不仅如此，它还可以自由改变检测设备上的目标病毒，以满足不同需求。

论文链接：https://doi.org/10.3390/mi11060540