爽！玩无人机同时进行PCR扩增

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在偏远地区进行分析测试会遇到在实验室中不会遭遇到的一系列挑战，特别是在不发达的地区，这种情形尤其如此。聚合酶链式反应（PCR）是一种强大的、快速的和常规的核酸扩增技术。它依赖于PCR反应器中循环地加热和冷却，这需要消耗大量的电力。

常规的PCR反应器大多通过对流热循环（convective thermocycling）进行加热和冷却。对流热循环的主要缺点在于这种方法中，PCR反应器中的内流场（inner flow field）与它的几何结构相互依赖。PCR反应器的顶面（冷）和底面（热）之间存在空间温度梯度，这不仅驱动执行PCR反应所需的变性、退火和扩增步骤，而且它也提供驱动力促进反应试剂在变性区、退火区和扩增区之间转移。在进行不同的PCR检测时，人们就需要重新设计PCR反应器的几何结构，而且还需确保PCR反应器保持合适的空间定位以便提供合适的驱动力促进反应试剂转移，这就使得采用对流热循环的PCR反应器缺乏通用性。

在一项新的研究中，来自美国德州农工大学的Victor Ugaz和同事们对常规的对流热循环方法进行改进，在PCR反应器中采用混沌对流（chaotic advection），这会极大地加快扩增反应速率，而且反应速率几乎在整个PCR反应条件下保护不变。

研究人员首先选择圆柱形的PCR反应器，这是因为它的内流场以混沌对流为主。他们随后调整PCR反应器的高度，确保当PCR反应器的底部维持在变性温度时，它的顶面通过热量释放到周围环境而维持在退火温度。以这种方式，将PCR反应器中的单个加热元件维持在恒温，促进PCR扩增反应在等温下进行，从而显著地降低电量消耗，只需提供标准的5伏USB电源给加热元件进行加热就足以进行等温PCR扩增反应。

研究人员将3D打印的附件、PCR反应器和用于荧光分析的智能手机组装成一台功能性的便携式PCR仪器，并将它安装到一架以普通消费者为购买对象的四旋翼无人机上，从而就可以将这台PCR仪器精确地部署到偏远区域，而且在飞行期间就能够进行PCR扩增。当无人机在高达100英尺的空中进行飞行时，他们成功地在20分钟内扩增出147bp的金黄色葡萄球菌DNA片段，和237bp的λ噬菌体DNA片段。通过在扩增反应试剂中加入SYBR Green染料，就可利用PCR反应器侧面上的低功率蓝色LED灯照射PCR反应器，然后利用利用智能手机的摄像头从PCR反应器顶端拍摄照片，接着利用智能手机上安装的软件分析这些照片，就可定量检测扩增产物。

此外，在偏远地区制备核酸样品也是一大挑战。为此，研究人员将3D打印的离心机转子（可用于标准的离心柱核酸提取/纯化试剂盒中）替代无人机的转子。无人机的节流控制能够让离心速度达到10,000 rpm，这就意味着所产生的离心力足以与台式离心机相比拟。这种基于无人机的离心平台能够分离和富集样品中的纳米颗粒物质（如DNA，RNA）。更重要的是，研究人员成功地利用这种离心平台提取出人血清中的登革热病毒RNA，而且提取效果可与台式离心机相提并论。

研究人员想象着在偏远地区，飞行他们开发的“无人机实验室（lab-on-a-drone）”以便收集样品，然后在飞行中进行PCR分析，并利用手机的网络连接功能，将结果传递给其他地方的科学家。对现成设备的这种难以置信的用途转用可能有朝一日成为疫病暴发的常规应对手段的一部分。

相关研究结果于2016年2月21日在线发表在Analytical Chemistry期刊上，论文标题为“Lab-on-a-drone: Toward pinpoint deployment of smartphone-enabled nucleic acid-based diagnostics for mobile health care”。

Lab-on-a-drone: Toward pinpoint deployment of smartphone-enabled nucleic acid-based diagnostics for mobile health care

doi:10.1021/acs.analchem.5b04153

Aashish Priye, Season Sze-Shun Wong, Yuanpeng Bi, Miguel Carpio, Jamison Chang, Mauricio Coen, Danielle Cope, Jacob Harris, James Johnson, Alexandra Keller, Richard Lim, Stanley Lu, Alex Millard, Adriano Pangelinan, Neal Patel, Luke Smith, Kamfai Chan, and Victor M. Ugaz

We introduce a portable biochemical analysis platform for rapid field deployment of nucleic acid-based diagnostics using consumer-class quadcopter drones. This approach exploits the ability to isothermally perform the polymerase chain reaction (PCR) with a single heater, enabling the system to be operated using standard 5 V USB sources that power mobile devices (via battery, solar, or hand crank action). Time-resolved fluorescence detection and quantification is achieved using a smartphone camera and integrated image analysis app. Standard sample preparation is enabled by leveraging the drone’s motors as centrifuges via 3D printed snap-on attachments. These advancements make it possible to build a complete DNA/RNA analysis system at a cost of ~ $50 ($US). Our instrument is rugged and versatile, enabling pinpoint deployment of sophisticated diagnostics to distributed field sites. This capability is demonstrated by successful in-flight replication of Staphylococcus aureus and λ-phage DNA targets in under 20 min. The ability to perform rapid in-flight assays with smartphone connectivity eliminates delays between sample collection and analysis so that test results can be delivered in minutes, suggesting new possibilities for drone-based systems to function in broader and more sophisticated roles beyond cargo transport and imaging.

来源：生物谷BIOON