突破PCR延遲檢測困境 長庚團新技術望實現定點照護
【記者方凱琪報導】DNA檢測技術是疾病篩檢與防疫監測的基石，其中位居關鍵作用的聚合酶連鎖反應儀（註一）也一直推陳出新。近日，由長庚大學生物醫學工程學系博士生洪嘉擇與研究團隊，研發「微流體快速即時聚合酶連鎖反應儀」（後以該技術代稱），在8分鐘內即可完成40個PCR循環，速度較以往技術快上九倍，並於18日獲得第十七屆「國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎」專上組首獎。
註一：聚合酶連鎖反應儀，可將其比喻成「DNA影印機」，儀器主要透過聚合酶連鎖反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）將目標DNA數量增加。PCR需要進行三個階段：變性（denature）、退火（annealing）以及延伸（extension），這三個階段通常需分別控制在二至三個不同的溫度區間進行。 洪嘉澤觀察目前臨床使用的反應儀，發現其設計目標多為一次處理大量樣品，以臨床常見的LightCycler® 480 Instrument II舉例，它一次最多可放置96個樣本，全數擺滿後才會進行檢測，否則就會浪費空間，因此在實務上，即使情況緊急，檢測仍常因等待樣本而有所延遲。此外，洪嘉澤也說：「在病毒肆虐的疫情當下，很難全部叫患者去醫院做篩檢，又希望讓患者在現場（小診所等）就看得到結果。」因此，發明出既能保持準確度，又能快速檢測少量檢體的儀器就成了洪嘉擇的目標。 為了達成「快速檢測少量檢體」的目標，一次PCR過程就需長時間的大型反應儀顯然無法勝任，因此洪嘉擇選擇使用能讓退火與延伸階段能在相同溫度（攝氏65度）完成的試劑，將PCR所需的三個溫度區間簡化為兩個。再採用「微流體」技術，將檢體反應的場域，從傳統的試管改在晶片上頭髮粗度的水管中進行。而過去微流體技術應用在PCR時，檢體會因高溫而產生蒸氣壓，生出如同滾水一樣的氣泡，阻礙流體移動，影響檢體反應的品質與穩定度。對此，他設計出氣壓控制技術，利用壓力抑制氣泡生成，從而使流道暢通無阻。 而為了讓檢體溫度保持在特定區間，以進行不同階段的擴增反應，洪嘉擇必須精確控制其在高、低溫區停留的時間。他採用「光學同步控制技術」，在晶片中央設置螢光檢測區，將偵測到的訊號作為控制檢體往不同溫區移動的觸發機制，並整合感測器和控制元件達成自動控制。 該技術目前尚未進入臨床測試，因此在實際應用上還存在挑戰，但根據臨床前的測試（註二），研究團隊設計出的機台效率是95％，符合標準，洪嘉擇對其抱持樂觀的態度，「時間縮短到8分鐘，卻可以跟一般市面上的成熟機台擁有一樣的效果，這是一個比較重要的突破。」另外，關於技術商用化的安排，洪嘉擇也希望未來能應用在食物、食物中毒或水質檢測等層面。
註二：PCR機台效率90-110％為可接受程度。
中央研究院基因體研究中心研究員陳建仁表示，該技術將PCR縮短成8分鐘，是顯著的進步，他說：「特別是在急性傳染病的防治。」若以COVID-19疫情為例，民眾在機場接受檢驗，原本可能必須花費幾個小時等待結果，因此該技術可以讓人們在疫病檢測時節省時間並維持檢測準確度。陳建仁更表達高度肯定：「該技術是我們台灣年輕科學家的一個進步。」
