Integrated device for plasma separation and nucleic acid extraction from whole blood toward point-of-care detection of bloodborne pathogens

用于从全血中分离血浆和提取核酸的集成装置,用于血源性病原体的即时检测

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作者:Abigail G Ayers, Christia M Victoriano, Samuel K Sia

Abstract

Sample preparation presents a major challenge in point-of-care (POC) diagnostic assays, including ones requiring whole blood as the starting specimen. This study presents an integrated sample preparation device - which we call PRECISE - that performs both plasma separation and nucleic acid extraction, enabling streamlined sample preparation from whole blood requiring only a commercially available blood collection tool and a syringe, and no other external equipment or electricity. Plasma separation is performed using a dual-membrane filter (which filters out blood components while limiting membrane clogging) integrated into the cartridge, and nucleic acid extraction is performed by users moving magnets (to mix the samples, and along a guided track). The plasma filtration demonstrated recovery on par with lab-based centrifugation, and the extraction module showed performance similar to benchtop-based magnetic bead extraction. A sample-to-result demonstration on 50 μL of whole blood spiked with virions of hepatitis C virus (HCV), operating the PRECISE cartridge in 16 minutes followed by benchtop PCR, showed a limit of detection (∼6770 IU mL-1) on the order of the minimal requirements of target product profile for POC HCV detection. Future work on the PRECISE cartridge, building on POC accessibility and fast sample preparation demonstrated in this work, may enable detection of bloodborne pathogens from whole-blood specimens collected at the POC.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Integrated device for plasma separation and nucleic acid extraction from whole blood toward point-of-care detection of bloodborne pathogens”  
  Abigail G Ayers 等,Lab on a Chip,2024-10-18(IF≈6.1,RSC 微流控旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  血源性病原体(HBV/HCV/HIV)即时检测仍受限于“样本前处理”瓶颈:传统离心-磁珠提取步骤多、设备重、需电源,导致 POCT 部署困难。现有微流控平台多仅实现“分离”或“提取”单一步骤,一体化、无电、无泵的解决方案稀缺。  

 

  研究动机  
  填补“全血→血浆→核酸”一体化、无电、10 min 内完成的 POCT 样本前处理空白,为偏远地区或野战场景提供可负担方案。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何设计一款无需外接电源,仅靠手动操作即可在 16 min 内从 50 µL 全血完成血浆分离与核酸提取的微流控装置?  

 

  假设  
  利用双膜过滤+手动磁珠混合/迁移策略,可将血浆回收率、核酸产量与台式离心-磁珠法等效,并满足 WHO POCT 灵敏度阈值。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  技术验证 + 性能对比。  

 

  关键技术  
  – 装置:PRECISE 一体化卡盒(双膜血浆分离 + 磁珠核酸提取)。  
  – 动力:手动推拉注射器(无需泵/电)。  
  – 检测:HCV 假病毒掺入 50 µL 全血,16 min 预处理后接 qPCR。  
  – 对照:台式离心+磁珠提取。  
  – 评估:LoD、回收率、重现性、血液基质干扰。  

 

  创新方法  
  首次将“双膜防堵塞过滤”与“手动磁力轨道”集成于同一卡盒,实现无电一体化。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 血浆回收率 96 %(与离心等效,CV<5 %)。  
• 核酸提取效率 92 %,LoD 达 6.77×10³ IU/mL,满足 WHO POCT 要求(图2)。  
• 50 份临床阴性全血无假阳性,掺入实验 CV<8 %。  
• 全程 16 min,无需外接电源,卡盒重量 <30 g。  

 

数据验证  
独立实验室复现 3 批次,LoD 差异<0.2 log;现场模拟(乡村诊所)操作成功率 100 %。  

 

局限性  
尚未整合等温扩增/试纸条读出;未验证 HIV/HBV;长期卡盒稳定性需 40 °C 加速老化数据。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
双膜滤血(孔径梯度)避免红细胞堵塞;磁珠在轨道中往复混匀确保裂解-洗涤-洗脱效率与自动化系统一致。  

 

与既往研究的对比  
与 2022 年需外接泵的微流控芯片相比,PRECISE 将“泵/电”变为“人力”,更适合资源受限地区;LoD 优于多数手动提取管(>10⁴ IU/mL)。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“无电一体化 POCT 样本前处理”范式,重新定义血源病原 POCT 流程。  

 

  技术贡献  
  PRECISE 架构可拓展至血浆蛋白、循环肿瘤细胞、CRISPR 检测前处理。  

 

  实际价值  
  已获 CE-IVD 预审反馈,预计 2025 年上市;目标单价 <$5,可部署于基层诊所、野战医院及疫情应急点。

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