[論文レビュー] DNA-to-go: A portable smartphone-enabled PCR assay platform

Aashish Priye, Victor M. Ugaz|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2016

Biosensors and Analytical Detection参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

DNA-to-go は、スマートフォン連動型で持ち運び可能な PCR プラットフォームであり、自然対流による熱サイクリングを用いて、最小限の電力で 10–20 分で DNA を増幅する。USB や太陽電池バッテリーで駆動され、スマートフォンを用いた検出と分析により、リソース制限のある環境での迅速かつ低コストの分子診断を可能にする。

ABSTRACT

We address the need for affordable, rapid, and easy to use diagnostic technologies by coupling an innovative thermocycling system that harnesses natural convection to perform rapid DNA amplification via the polymerase chain reaction (PCR) with smartphone-based detection. Our approach offers an inherently simple design that enables PCR to be completed in 10-20 minutes. Electrical power requirements are dramatically reduced by harnessing natural convection to actuate the reaction, allowing the entire system to be operated from a standard USB connection (5 V) via solar battery packs. Instantaneous detection and analysis are enabled using an ordinary smartphone camera and dedicated app interface.

研究の動機と目的

• リソース制限のある環境での分子検査に適した低価格で迅速かつ使いやすい診断プラットフォームの開発。
• 複雑な熱サイクリング装置を排除するため、自然対流を用いて DNA 増幅を駆動すること。
• USB や太陽電池バッテリーなどの 5 V 供給源での電力効率の高い運用を実現すること。
• スマートフォンを用いた検出により、PCR 結果の即時の分析と可視化を可能にすること。
• ポインツ・オブ・ケア分子診断のためのスケーラブルで現地展開可能なソリューションの構築。

提案手法

• 本システムは、自然対流を活用して PCR 増幅のための温度サイクリングを実現する独自のマイクロ流体チャネルを採用している。
• チャネルの上部を加熱し下部を冷却することで温度勾配を生成し、連続的な流体の循環と温度サイクリングを実現している。
• 本デバイスは 5 V の USB 供給源または太陽電池バッテリーで駆動され、電気的エネルギー消費を最小限に抑えている。
• DNA 増幅は、スマートフォンのカメラと専用アプリを用いて、リアルタイムで蛍光信号を分析することで検出される。
• 本設計はコンact であり、外部の電力制御システムを必要としないため、持ち運びやすさと使いやすさが向上している。
• 本プラットフォームはマルチプレックス検出をサポートしており、標準的な PCR で用いられる蛍光染料と互換性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部ポンプや複雑な加熱素子を用いずに、自然対流を効果的に活用して迅速かつ信頼性の高い DNA 増幅を達成できるか？
• RQ2 スマートフォンベースのシステムは、感受性と速度の面で従来のラボ用 PCR 用機器にどの程度置き換え可能か？
• RQ3 USB や太陽電池バッテリーなどの低電圧供給源でのみ駆動できる、現地展開可能な形式での PCR 全般のワークフローが可能か？
• RQ4 標準ラボの測定結果と比較して、スマートフォンによる検出の結果はどれほど正確で再現性があるか？
• RQ5 このプラットフォームは、リソース制限や遠隔地の環境でも信頼性の高いポインツ・オブ・ケア診断を可能にするか？

主な発見

• 自然対流のみを用いて、アクティブな熱サイクリングを必要とせず、10–20 分で DNA 増幅が正常に完了した。
• 本システムは 5 V の USB 電源または太陽電池バッテリーで安定して稼働し、電力消費を顕著に低減した。
• スマートフォンによる検出により、PCR 結果のリアルタイム可視化と分析が高感度で可能となった。
• 複数回のテストランにおいて一貫した性能を示し、再現性と信頼性が確認された。
• 臨床的に関連する濃度での標的 DNA シーケンスの検出に十分な感受性を示した。
• 本システム全体はコンパクトで低コストであり、リソース制限のある環境や現場での展開に適している。