科大工学院研发「单管式」病毒及基因检测平台 实现30分钟高灵敏度、快速居家检测
香港科技大学（科大）成功研发崭新「单管式」病毒及基因检测平台TEMPO，有望把原本需要在实验室进行的高灵敏度核酸检测，简化为可于家中完成的单步骤检测。用户只需透过单一反应管操作，最快30分钟即可获取媲美专业实验室水平的检测结果。这项突破有望填补现时快速测试与实验室核酸检测之间的技术鸿沟，为未来传染病监测及基因筛查提供更便捷的解决方案。
TEMPO全名为「热力学编码分子编程一体化诊断平台」（Thermodynamically Encoded Molecular Programming for One-Pot Diagnostics），由科大化学及生物工程学系教授邢怡铭教授带领的研究团队联合香港中文大学（中大）的学者共同研发。该技术目前已应用于季节性流行性感冒、新型冠状病毒、艾滋病等多种病毒检测，亦为遗传疾病快速筛查开辟新方向。相关研究成果已于国际知名学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表，论文题为「Thermodynamically programmed one-pot CRISPR platform for point-of-care SNP genotyping」。
领导这项研究并担任论文通讯作者的邢怡铭教授表示：「传统实验室核酸检测须经过多重工序，包括扩增微量的病原体遗传物质、辨识样本，并生成可读取的检测讯号。而『单管式』检测，就是将所有步骤整合于单一反应管内。当中最大的挑战，在于如何确保各个步骤能够按照既定次序准确完成。」
为了精准控制各项反应的时序，科学界过往曾尝试透过调整试剂浓度、将不同反应步骤进行物理分隔，或加入人工操作来协调反应进程。然而，这些方法往往稳定性较低，难以广泛应用。科大团队另辟蹊径，利用热力学原理，让各项反应按照预设次序自动推进，从而实现更稳定、更简便的时序控制，使原本需要经过多个步骤完成的核酸检测，得以在单一反应管内完成。
邢教授指出：「这就像要烹调一道工序繁复的菜式，却只能使用一个锅，因此各种材料的处理次序至关重要。」在这类单管式核酸检测中，整个流程通常包括核酸扩增及CRISPR辨识两个主要步骤，两者会在密封的反应管内竞争相同的原料。一方面，核酸扩增反应需要不断累积目标分子，以产生足够的检测讯号；另一方面，CRISPR酵素则会实时辨识并消耗这些分子。若后者过早启动，便可能令整个反应链停滞，令检测难以在单一步骤下兼顾速度与灵敏度。
TEMPO的核心建基于一对经热力学工程设计的DNA引物。其中一条为「原始」引物，能高效结合目标分子并驱动初步核酸扩增；另一条引物则被刻意设计成部分错配，使其在能量上不利于结合，因而保持静止。直至目标分子累积至超过默认的热力学阈值后，方会启动，并植入分子层面的「开始」讯号，即「邻近间隔序列基序」位点，或Protospacer Adjacent Motif位点（简称 PAM位点），从而启动一种可编程的CRISPR酵素，触发快速且显著放大的讯号读取。团队运用一组简单的数学模型，以常微分方程准确预测依赖阈值的延迟启动行为，从而提升引物设计的可预测性。
TEMPO的另一项重要优势，在于能够覆盖传统CRISPR诊断难以检测的基因位点，包括众多邻近缺乏PAM、却具有重要临床意义的单核苷酸变异。即使目标序列之间仅相差一个DNA碱基，系统仍能作出精准辨识。这有赖于其独特的系统设计，即把CRISPR的「开始」讯号直接写入引物中，而非依赖目标序列本身是否含有PAM位点。
测试结果显示，TEMPO能在30分钟的单步骤流程内，达到实验室检测的最高灵敏度标准，即阿摩尔（attomolar，1 aM）级别。团队先后以仿真艾滋病病毒样本，以及真实甲型流感病毒及真实新冠病毒（SARS-CoV-2）临床样本进行验证，所得结果均与定量实验室核酸检测一致。此外，研究人员进一步将TEMPO整合至单步骤微流控芯片，针对三个具临床意义的单核苷酸变异，检测20个人类基因组样本，检测结果与DNA定序结果完全一致。
邢教授指出：「TEMPO采用化学性质稳定的DNA，毋须冷链储存，也不倚赖复杂操作程序或大型仪器。使用者只需在单一反应管内，即可完成超高灵敏度的核酸检测。这种简便设计非常适用于诊所、机场、家居，甚至偏远地区，为居家检测及实时检测的普及应用扫除障碍。」
面对未来可能出现的新兴传染病，TEMPO有望成为一个能快速转换检测目标的通用平台。由于操作简单且毋须依赖大型仪器，相关检测未来有潜力直接于家居环境进行。是次研究所采用的单核苷酸精准度，同样也为基因特征与相关疾病的简易筛查开拓了新方向，例如东亚人常见的「酒精潮红」现象及酒精不耐症。团队已展开下一阶段研究，致力将TEMPO的应用范围扩展至更广泛的呼吸道及性传播病原体的检测。
展望未来，团队计划于未来一年进一步开发更高度整合、可由样本直接得出结果（sample-to-answer）的居家及现场检测装置，并推动多项临床应用研究，包括性传播感染的居家检测、多重耐药菌的快速现场分子检测，以及新生儿筛查、地中海贫血等遗传疾病的基因分型检测。团队期望最终建立一套灵敏度和特异性均比快速抗原测试（RAT）优胜、但操作同样简便的居家核酸检测平台，为应对未来可能出现的新兴传染病作好准备。
