据丽纳芯创始人谭生伟博士介绍:Lsmart-sp1 是由朱博士命名,释义是L代表丽纳芯的首字母,s是single, m是molecular, a是analysis, r是real-time, t是test而且整个smart又是智能的意思,sp1是型号:s是solid, p是pore,1是第一代。
Lsmart-SP1 即将亮相于上海世博展览馆举办的2023上海国际检验医学及体外诊断试剂展览会(CEIVD,展位号H045.2023年6月28日-30日)
单分子检测设备主要依赖于高度复杂的光学检测系统,对标记分析物(核酸、蛋白质、细胞等)产生的光学变化信号进行检测,在IVD领域占有重要的一席之地。以光学检测原理为基础的单分子检测技术已度过早期的研发阶段,逐渐向临床应用端靠近,为疾病的早筛、预防带来了希望,应用主要集中在癌症的早筛。Quanterix公司是目前单分子检测领域的领跑者,现市值已达到10亿美元。尽管如此,复杂的光学检测系统、耗时的荧光及抗原-抗体标记效率、低浓度标志物的挖掘等都会严重影响检测的效率及准确率,并且很难实现单个分子的高灵敏检测。当前在全球范围内,已实现商业化的单分子免疫检测技术平台仅有Quanterix公司的 SiMoA系统和默克的SMC系统。Quanterix和默克也是全球最早布局以及最具代表性的公司。然而,在这个赛道国内的公司入局较晚,截止到目前,国内还没有单分子免疫诊断的产品获批上市,当前主要几家公司包括光与生物、宇测生物、彩科生物等。
(来源:Quanterix 公司主页)
纳米孔作为一种单分子检测技术,以其免标记、高通量、免PCR扩增、操作简单等优势,近些年在基因测序及生物医学检测领域得到了飞速的发展。其工作原理简要的描述为:当待测分析物穿过纳米尺度的孔道时,会引起通过孔道的离子电流的变化,通过对电流变化信号的检测与分析可实现对分析物的物理化学性质的表征。
(来源:Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996. 93)
然而,当前一提到纳米孔,人们首先会想到纳米孔测序。近些年,在牛津纳米孔(ONT-Nanopore)的带领下,国内也出现多家以测序为目标的纳米孔测序仪。尤其在近些年,国内以齐碳科技的Q-Nome为代表的纳米孔测序仪如春笋般涌现,诸如今是科技的Gseq500中通量纳米孔测序仪在去年底发布,以及在第二十届CACLP大会上发布的安序源公司的AXP100-RS第四代纳米孔长读长纳米孔测序平台。
(来源:各公司主页。从左至右分别为:Q-Nome, Gseq500. AXP100-RS)
虽然,纳米孔传感技术在1996年被发明之初,其目标就是为了实现通过检测核酸序列过孔来进行DNA的测序。然而,生物纳米孔的孔道蛋白天生的脆弱性,对溶液的pH及施加的电场力都有严格的要求。此外,生物纳米孔需要插入到磷脂双分子层或特定的聚合物中作为基底才能进行工作,这对纳米孔芯片的集成提出了极高的考验。
相对于生物纳米孔,固态纳米孔传感器出现的稍晚一些,2001年美国阿肯色大学物理系Jiali Li教授团队采用聚焦离子束(FIB)在氮化硅薄膜上加工出纳米尺度的小孔,并实现了DNA的检测。其工作原理与生物纳米孔相同,但其优势却尤为突出,由于固态纳米孔是加工在硅基的绝缘薄膜上,因此,可承受的检测溶液的范围较宽,并且纳米孔的孔径可根据待检测物的尺寸进行定制加工,最为关键的是固态纳米孔的高度可集成化是未来纳米孔检测仪器发展的趋势。
(来源:Nat Rev Mater 5. 2020. 931–951)
到目前为止,固态纳米孔还没有能力实现DNA或RNA的直接测序,其原因主要有两点:(一)由于无法在孔口处定点修饰单个控速蛋白,DNA链超快的过孔度(速度≥1000 nt/ms)超出检测信号电路的带宽。(二)若要实现高分辨率的区分DNA碱基间的差异,需要采用超薄的薄膜(膜厚≤2 nm),而该厚度的薄膜制备较为困难,并且较高的低频噪声会严重影响检测的信噪比(通常纳米孔薄膜越薄,低频噪声越大)。虽然,固态纳米孔目前还无法实现基因测序,但在单分子检测方面却可以大显身手。由于固态纳米孔单分子检测仪的研发存在诸多难点,并且技术门槛较高,在这条赛道上我们与国外并没有存在较大的差距。目前,国际上只有一家(Two Pore Guys)以固态纳米孔传感技术为核心的手持式单分子传感平台,该公司总部位于美国加州,2018年获得了280万美元的盖茨基金的资助。
(来源:公司主页)
虽然该公司起步较早,然而该产品目前还未在临床上得到应用。在这个极具前沿性的赛道上,国内第一家以固态纳米孔传感技术为核心的第四代固态纳米孔单分子检测仪的原理样机(Lsmart-SP1 )在2023年3月已发布,该样机由苏州丽纳芯生物科技有限公司自主研发,该公司由国内外生物医学博士和基因测序科学家联合创办,专注于第四代固态纳米孔基因检测仪开发及高发癌早筛产业化的高新技术企业。Lsmart-SP1 是由东南大学、南京大学、中科院纳米所、南京邮电大学和美国哈佛大学的多位教授、科学家联合攻克包括微纳芯片的设计加工到制备、微纳流体装置、生物大分子、小分子、DNA、RNA检测和病毒检测等关键技术,由国家973项目,国家重大专项课题、国家及省自然科学基金产学研的落地,是国内首个即将量产固态纳米孔基因检测仪。2022年8月,丽纳芯完成Pre-A轮数千万融资,加大对第四代纳米孔技术研发和升级的资金投入。
纳米孔基因检测原理样机Lsmart-SP1
该仪器应用于DNA甲基化检测、表观遗传分析、DNA/RNA结构分析、病毒检测、蛋白质分析,肿瘤早筛等。该样机整机尺寸约iPad大小,搭载Linux操作系统,ARM处理器;4GB RAM内存,支持USB及SD卡移动存储,存储可拓展至8T,OLED触摸屏,支持Wi-Fi网络。DNA/RNA可直接检测,无需PCR扩增,免除PCR扩增带来的错误和GC偏差,快速、实时。可便携快捷的进行户外、野外等多场景检测实验。
a硅芯片、b不同孔径纳米孔芯片和c二维流体芯片
(来源:丽纳芯公众号)
据了解,仪器的每个部分全部由丽纳芯团队自主研发,包括高带宽的电流放大器、纳米孔芯片流体池(cell-231)以及界面操作程序等,目前该仪器的电流放大器的电信号检测部分已基本开发完成,并进入了后期的优化完善阶段。配套的纳米孔芯片及流体池也已经同步设计开发完成,二维流体芯片已经开模量产,并且预计在今年8月底发布第一台工程样机。让我们拭目以待这匹“黑马”,该技术将为基因检测领域带来新的希望与曙光!
