當(dāng)前這場與時間賽跑的新型冠狀病毒肺炎（Covid-19，以下簡稱：新冠病毒）世界“戰(zhàn)疫”，激發(fā)了全球科技公司的努力和協(xié)作。

2020年3月21日，美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration, FDA）緊急授權(quán)加利福尼亞Cepheid公司銷售一種快速檢測新冠病毒的新方法。Cepheid由Kurt Petersen、Allen Northrup等人創(chuàng)立于1996年，以其將基于微流控芯片的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）分析設(shè)備商業(yè)化而在MEMS領(lǐng)域聞名于世。對于Cepheid來說，這已經(jīng)不是其第一次迅速應(yīng)對生物（病毒/細(xì)菌）威脅。在2001年美國發(fā)生炭疽恐怖襲擊之后，Cepheid便率先向美國郵政（U.S. Postal Service）提供了一種快速檢測炭疽的方案，并且至今仍在使用。

目前所有新冠病毒測試方案的核心都是實時逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（實時RT-PCR）分析技術(shù)。簡單來說，實時RT-PCR利用熱循環(huán)擴(kuò)增患者拭子樣本中存在的DNA，然后通過熒光檢測來搜尋病毒的特定基因組。

因此，這種測試首先需要了解病毒的基因組。中國科學(xué)家于2020年1月10日首次發(fā)表了對新冠病毒完整基因組測序的關(guān)鍵工作。病毒基因組確定了以后，一支德國研究小組僅花了7天時間便發(fā)布了第一個也是目前世界衛(wèi)生組織（WHO）正在采用的用于測試患者樣本的檢測方法?，F(xiàn)在還有其它可能更快、更經(jīng)濟(jì)的病毒檢測方法正在研究，例如抗體檢測或CRISPR-Cas13檢測等。

傳統(tǒng)PCR需要數(shù)小時才能完成熱循環(huán)并得到檢測結(jié)果。此外，由于患者拭子樣本中的病毒載量可能較低，限制了DNA擴(kuò)增，從而有可能導(dǎo)致大量假陰性。在應(yīng)對傳染性疾病暴發(fā)時，測試必須又快（理想的是在患者等待的幾分鐘內(nèi)就能完成）又準(zhǔn)確，以防止陽性患者被漏檢，為其它健康人群帶來不必要的風(fēng)險。

MEMS技術(shù)可以為PCR提供兩個重要優(yōu)勢：縮小尺寸，以及微流控集成。MEMS加熱器和反應(yīng)腔室的熱質(zhì)量很小，因此可以顯著加速熱-冷循環(huán)，并在數(shù)分鐘內(nèi)迅速得到檢測結(jié)果。這種用于樣本和試劑處理的微流控集成已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用的新技術(shù)，例如數(shù)字PCR（dPCR）。

數(shù)字PCR方法利用微流體通道將患者的樣本分成很多微孔陣列或微滴乳液（后者稱為液滴數(shù)字PCR或ddPCR），獲得多個單獨的樣本。然后，對這些微量樣本進(jìn)行并行PCR處理，聚合后獲得樣本中目標(biāo)分子的總數(shù)。這種微觀并行處理顯著提高了檢測下限，從而提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

用于數(shù)字PCR的微流控腔室陣列

在2020年3月6日發(fā)表的一項由湖北自然科學(xué)基金資助的研究中，證明了與傳統(tǒng)PCR相比，基于MEMS和微流控的PCR技術(shù)在檢測新冠病毒中的優(yōu)勢。在這項研究中，液滴數(shù)字PCR（ddPCR）和傳統(tǒng)PCR一起用于測試患者樣本。初步研究的結(jié)果表明（尚待進(jìn)一步臨床驗證），ddPCR的新冠病毒檢測閾值比傳統(tǒng)PCR閾值低500倍。這一結(jié)果意味著，在患者樣本中病毒載量可能較低的情況下，與傳統(tǒng)PCR相比，ddPCR更有可能準(zhǔn)確檢測出陽性患者。

MEMS PCR芯片的開發(fā)始于1990年代初。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的Allen Northrup研究小組于1993年發(fā)表了第一篇有關(guān)硅基PCR芯片的論文，該芯片最終于1996年許可給了Cepheid。數(shù)十年來，有關(guān)如何利用MEMS材料和方法制造新穎PCR芯片以及由硅、玻璃甚至塑料基材制成微型整體分析系統(tǒng)（uTAS）的研究一直在持續(xù)進(jìn)行。

Northrup等人在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發(fā)的第一款MEMS硅基PCR芯片（左），后來許可給了Cepheid；現(xiàn)在的Cepheid測試盒（右）（來源：Northrup MA, Ching MT, White RM, Watson RT, “DNA amplification in a microfabricated reaction chamber,” Transducers 1993, Yokohama, Japan. pp. 924–926.）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，現(xiàn)在，學(xué)術(shù)研究人員正致力于利用微加工方法開發(fā)高度集成的低成本系統(tǒng)，特別是針對即時檢測應(yīng)用。韓國電子通訊研究院（ETRI）和Genesystem的一支研究團(tuán)隊開發(fā)了一種低成本的手持式PCR原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有聚酰亞胺腔室和微型加熱器以及用于結(jié)果光學(xué)讀出的集成CMOS圖像傳感器。

便攜式PCR原型剖面示意圖（左），包括腔室、加熱模塊和集成CMOS圖像傳感器；以及集成測試盒（右）（來源：DS Lee, OR Choi, and YJ Seo, “A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device,” Transducers 2019, Berlin, Germany pp. 1063-1065.）

這場與時間賽跑的新冠病毒“戰(zhàn)疫”激發(fā)了全球科技公司的努力和協(xié)作?？偛课挥诜▏腟tilla Technologies是晶體數(shù)字PCR的先驅(qū)，已經(jīng)與中國廠商合作為河南鄭州市及信陽市提供Naica數(shù)字PCR系統(tǒng)，以幫助當(dāng)?shù)馗玫貦z測新型冠狀病毒，并監(jiān)測其突變。在美國，總部位于加利福尼亞的Bio-Rad于2020年3月19日宣布，與使用qPCR進(jìn)行的現(xiàn)有測試方法相比，其QX200液滴數(shù)字PCR系統(tǒng)對新冠病毒的臨床檢測具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確度。遵照美國FDA醫(yī)療產(chǎn)品緊急使用授權(quán)（EUA），Bio-Rad正在與科羅拉多州的Biodesix合作，致力于將ddPCR測試用于新冠病毒檢測。

此外，在汽車和智能手機(jī)MEMS傳感器領(lǐng)域廣為人知的德國博世（Bosch），也在近日宣布開發(fā)出針對新冠病毒的快速檢測方案，可以在2.5小時內(nèi)出診斷結(jié)果，且不需要送到實驗室。這種快速分子診斷檢測將搭載在博世醫(yī)療健康解決方案業(yè)務(wù)部（Bosch Healthcare Solutions）開發(fā)的Vivalytic分析儀上進(jìn)行。

Vivalytic分析儀和測試盒將于2020年4月開始在德國投入使用，隨后在歐洲和全球其他地區(qū)相繼推出

韓國通過快速發(fā)動其生物技術(shù)公司進(jìn)行更廣泛的測試，助其更好地確定新冠病毒疫情，并實施有效的控制措施。希望Cepheid及其它科技公司現(xiàn)在提供的快速檢測方法在這場全球“戰(zhàn)疫”中同樣有效?；赟ARS、MERS以及目前新冠病毒的連續(xù)流行，似乎可以肯定的一件事是，快速PCR是應(yīng)對病毒大爆發(fā)的一種重要醫(yī)療工具。隨著全球范圍內(nèi)以降低成本、提高速度和準(zhǔn)確性為目的的持續(xù)研發(fā)，我們或能期待在每個醫(yī)生辦公室中都可以配備一臺利用MEMS技術(shù)增強(qiáng)的PCR。