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评价分子POCT性能的六个维度

首先,我们还是要确认一下什么是分子POCT产品。笔者以为,一个分子POCT产品首先得满足能脱离PCR分区实验室使用。这就意味分子POCT产品的检测耗材上要能集成核酸提取、核酸扩增的功能。更重要的是,整个实现过程要全密闭,以最大程度地在没有PCR分区实验室的情况下避免气溶胶污染。

下面,笔者归纳了评价一个分子POCT产品好坏的六个维度,仅供参考。

1. 检测的准确性

体外诊断行业,准确性永远是摆在第一位的。

新冠疫情当前,胶体金试纸条来做新冠抗原、抗体的检测,在检测的时间、成本以及便利性上具备核酸检测不可比拟的优势。这种情况下,国内新冠病毒检测为何还是坚持以核酸检测为主?还是因为核酸检测的准确性更高。

在选取分子POCT产品开发的技术路线上,一步法提取会让检测耗材(预置有试剂的微流控芯片或者非微流控芯片的卡盒)的设计更为简单,可制造性也更强。但是一步法提取却会降低检测的灵敏度。同样的,恒温扩增(LAMP,RPA等等)相比于QPCR而言,对于温度控制的要求低的多。其仪器开发起来更简单。恒温扩增速度也能更快。但是,恒温扩增当前检测性能跟QPCR比还是有显著的差距(想了解更多内容,可以阅读“

论分子POCT的产品形态

”)。所以,综合来看,想保证检测的准确性,最有效的方法就是老老实实的选取全提取+QPCR的技术路线来开发分子POCT产品。毕竟,GeneXpert和FilmArray这两个本领域最具代表性的产品都是这条路线。

笔者每次看到国外琳琅满目的核酸家用自检产品都充满疑虑。考虑到检测时间和成本,这些产品大多选用的是一步法提取+恒温扩增的技术路线。这种技术路线下的产品性能又如何能保证呢?在新冠病毒的检测上,这些家用自检产品的性能又能比新冠抗原胶体金试纸条好多少呢?笔者也没有找到相关数据。

2. 检测耗材(预置有试剂的微流控芯片或者非微流控芯片的卡盒)的成本

笔者以为,分子POCT产品开发最大的门槛就是检测耗材的量产。分子POCT产品的检测耗材集成了核酸提取和核酸扩增功能。核酸提取又分为裂解和核酸纯化,全过程需要试剂好几种,反应步骤也好几步。而这些试剂和反应步骤都要集成在检测耗材上。所以一般分子POCT产品检测耗材设计的都比较复杂。

此外,如果核酸扩增采用的是QPCR技术,那就意味着检测耗材的封接能承受得住PCR反应过程中变性对应的95℃左右的高温。这又进一步提高了分子POCT产品检测耗材的量产门槛。

集采之下,国内IVD行业,耗材成本的控制尤为关键。

检测耗材的成本不光只是组成检测耗材的塑料和试剂的物料成本。要考虑塑料组件的模具分摊成本,也要考虑检测耗材量产的成品率。

比如GeneXpert,我们单看其爆炸图就知道这个卡盒至少包含7个组件。每个组件都要单独开模注塑。而且,据业内资深人士说,单单存储试剂的三维腔室这一结构组件的模具费用就要百万美元。假设这个模具的使用寿命为100万次,那这么一个组件分摊的模具费用就能大致算出来了。这也解释了为何GeneXpert的卡盒成本偏高了。

一个检测耗材的组成组件越多,组件分摊的模具费用累积起来就越可观。这些组件最终还要拼成一个整体。这些拼接工艺一般包括超声焊接,激光焊接,热压,胶粘等,甚至GeneXpert的卡盒里面还有中国传统的榫卯结构。拼接越复杂,拼接次数越多,相应的检测耗材的量产成品率就越难保证。成品率越低,相应的合格的成品最终的分摊成本就越高。

笔者听说过某厂家正在开发的分子POCT产品的检测耗材有二三十个组件。这种产品就算能实现量产,估计在市场上也没什么竞争优势。

此外,还有一些基于EWOD(electrowetting-on-dielectric,介质上电润湿)技术开发的分子POCT产品,比如Genmark ePlex system。笔者一直对这类产品的耗材成本控制能力表示怀疑。这类耗材的量产可是要依赖于半导体工艺的。人家半导体工艺是用来制造可持续工作的电子芯片的,我们IVD行业还没有富到拿这套工艺来制造一次性使用的(disposable)检测耗材吧?

3. 检测时间(SmartCycler,Cobas Liat)

诊断追求快是一种本能。

分子POCT想做得更快有以下几种方法(更多内容,可以阅读“

核酸检测,如何更快?

”):

优化PCR反应体系,从而优化PCR反应时序,缩短PCR反应中变性,退火,延伸所需时间;

减少PCR反应的循环数(有风险,会降低检测的灵敏度);

提升温控模块的升降温速度(或者直接选用恒温扩增的方式,不过恒温扩增也会降低检测的灵敏度);

PCR反应腔室设计的扁、薄,提升导热效率;

优化温度控制的算法,做到加热模块温度适度超调,但液体温度又能平稳过渡;

选用Space Domain的温控设计方案。

当然,也有人说在实际临床使用中,半小时内能出报告是一回事儿,半个小时到一两个小时出报告又都是另一回事儿。所以,除非能半小时内出报告,不然也没有必要那么计较检测时间。无论如何,产品的检测速度更快,最起码市场部的同事们宣传起来也更有底气。

4. 检测指标数

在分子POCT领域, FilmArray通过一百零几个扩增腔来实现单样本多指标的检测。FilmArray的一个检测panel把引起某类疾病的常见病原体都筛查一遍,这样子就能帮医生精准定位出引来这类疾病的病原体是什么。比如,FilmArray呼吸道感染检测panel囊括了22个检测指标,对于绝大多数具有呼吸道感染症状的病人的样本而言,都可以在45分钟后给出准确的检测结果。而同样是呼吸道感染检测,GeneXpert则只检测四个指标,分别是甲型流感,乙型流感,合胞病毒,新冠病毒。所以两者应用的场景也不一样,GeneXpert适合门诊初筛,FilmArray更适合住院部危急重症感染的检测。

即使是初筛,检测指标也要适当的多一些,不然产品的检出率过低,产品也得不到医生的认同。这里就要考虑不同使用场景下的检出率和检测成本的平衡。

想检测指标数多一些,最好的方法还是在检测耗材上多增加几个QPCR扩增腔室。在GeneXpert之后,国外大多数分子POCT产品都是这个设计思路(FilmArray,STAT-Dx DiagCORE,Mobidiag,GenePOC,GenmarkePlex system,Atlas genetics io等)。笔者也见到过通过杂交,毛细管电泳等方式来拓展PCR的检测指标。杂交和毛细管电泳增加了系统的复杂度,也让整个检测时间更长,同时也带来很大的开盖污染风险。

5. 样本检测通量

为了解决样本检测通量问题,GeneXpert特地开发了系列产品,单次检测样本数量从1到80个不等。FilmArray也采取了多机并联的思路实现样本检测通量的拓展。

新冠疫情之下,核酸检测对于样本检测通量的极致追求反而让分子POCT产品显得没那么适用。后新冠疫情时代,对于常规的上呼吸道感染(流感等),院内感染,性传播疾病,生殖道感染等传统检测项目,我们也要考虑不同场景之下仪器的检测通量是否适宜。比如,流感爆发期间,单样本检测通量的分子POCT仪器放到大医院的儿童发热门诊就显得不够合适。

6. 产品易用性

好的分子POCT产品应该所有检测步骤包括核酸提取,PCR扩增以及结果分析均自动化实现,所有用到的检测试剂均预置在检测耗材里,使用者仅需要加样。

把产品易用性做到极致的便是STAT-Dx的Diagcore。该产品直接将采样拭子插入检测耗材,折断拭子后,盖上检测耗材的盖子后就直接上机等结果了。相比较而言,看过FilmArray的操作视频的就会知道,FilmArray需要专用的装置来加样本和稀释液,整体操作起来就略显复杂。

实践是检验真理的唯一标准。笔者结合自己的理解,提供评价一个分子POCT产品好坏的六个参考维度。最终产品好不好,还是要交给市场来判断。