1美元快速检测新冠——这次灵感来自哪个玩具？

还记得那个发明了1美元可折叠纸基显微镜^[1-2] 和20美分不插电高速离心机（Nat. Biomed. Eng., 2017, 1, 0009）的大神么？没错，他就是美国斯坦福大学的Manu Prakash教授，以“节俭科学（frugal science）”而为世人所知的科学家。实际上，他很多看似天马行空的思路恰恰来自于生活中的普通现象，比如上面提到的不插电高速离心机，灵感就来自不少人小时候玩过的玩具。

转速高达125,000 rpm的手动离心机。图片来源：Prakash Lab[3]

在全世界新冠（COVID-19）疫情肆意蔓延的现在，Prakash教授的团队也没有坐等疫情消散，而是行动起来，有针对性的展开了一系列研究项目。

Manu Prakash教授。图片来源：斯坦福大学[1]

今年三月初，Manu Prakash教授在法国南部与合作者面谈了一次，回国之后，他很快就出现了COVID-19的症状。接下来的一段时间，他开始自我隔离。也正是在隔离期间，Prakash教授开始思考，他的实验室在应对COVID-19这场战役中，应该做点什么。该实验室的第一个COVID-19项目，是借鉴潜水运动中的水肺全脸面罩，制作了一款N95级别的防护面罩“Pneumask”^[3-4]。

Pneumask面罩。图片来源：Prakash Lab[3]

他们也非常关注COVID-19病毒的检测问题。目前，病毒主要通过聚合酶链反应（PCR）来检测，用试剂盒收集处理样本，并需要训练有素的技术人员操作仪器进行诊断。因此，大多数COVID-19检测都集中于大城市医院或检测机构，但是新冠病毒并不只在大城市传播，全球很多国家都需要在更广泛的范围进行快速筛查，以确定感染者并控制传染范围。而远离大城市的偏远地区，以及发展中国家或地区，目前的检测手段很难覆盖。

为解决上述问题，Prakash教授课题组设计了一种新的手动离心机“Handyfuge”，用于唾液样本中核酸的环介导等温扩增（loop-mediated isothermal amplification, LAMP）检测^[5]，不但拓展了离心机的应用范围，更使偏远地区或资源有限地区的COVID-19快速现场诊断成为可能。

转速可达2,000 rpm的手动离心机Handyfuge。图片来源：Prakash Lab ^[3]

Prakash教授表示，Handyfuge的设计灵感来自小玩具——“手压式手电筒”（下图A）。尽管相比于之前用纸片和线绳制作的、成本仅20美分的高速离心机，Handyfuge成本略有增加，但依旧可以控制在5美元以内。重要的是，Handyfuge更加耐用，兼容核酸检测常用的离心管，很容易实现检测所需的2,000 rpm的转速，纯手动无需插电，经济实惠。

手压式手电筒和Handyfuge的组件。图片来源：medRxiv ^[5]

在检测过程中，首先对采集的唾液样本进行化学灭活，将试管在沸水中加热5分钟，使病毒蛋白变性。随后，将灭活样本装入离心管，并放入Handyfuge离心机，保持最大转速1分钟后，沉淀物聚集在离心管底部。将可能含有灭活病毒的上清液倒入新试管中，加入市售的病毒核酸吸附试剂以捕获病毒RNA。进一步，研究者采用了哈佛大学和霍华德•休斯医学研究所的Cepko教授和她的学生Rabe开发的LAMP方法来检测唾液中COVID-19病毒的RNA^[6]（详见结尾附的“使用说明书”）。病毒RNA的聚合反应大大降低了溶液的pH值，如果指示剂颜色从紫色变为黄色，就说明该样本呈阳性，检测结果非常直观。该方案不需要专门的设备，从样品收集到完成检测不到一个小时，灵敏度达到每微升唾液10-100个拷贝，更重要的是便宜，每个样本的检测成本仅为约1美元。

Handyfuge-LAMP测试结果图。图片来源：medRxiv ^[5]

将Handyfuge离心机和LAMP技术相结合，可以完全避免PCR检测所需的复杂步骤、精确温度控制以及昂贵的仪器，任何受过简单技术培训、能正确处理样本和移液管的人都可以进行检测。最最重要的是，快速又便宜。

检测所需的所有试剂和工具。图片来源：medRxiv ^[5]

“我们已经开始在美国和玻利维亚验证这种检测技术，并与亚马逊地区的一个医生社区合作，为偏远地区的人们提供服务”，Prakash教授说，“这种病毒正在向土著社区居民传播，而他们并没有基础医疗设施来应对这种状况。”^[3]

“节俭科学”已经成为Prakash教授的标签，从显微镜到离心机，他致力于开发廉价的工具，把科学发现的力量和快乐带给全世界的孩子们（以及正看文章的大人们）。如今，他进一步将“节俭科学”的概念推广，希望在未来能提供更多的廉价医疗诊断。^[7]

附：产品“使用说明书”，这样的论文，真的太贴心了

参考文献：

1. Wildly frugal — Manu Prakash's dream is science tools for everyone, everywhere

https://stanmed.stanford.edu/2017spring/manu-prakashs-frugal-science-including-his-1-dollar-microscope-the-foldscope.html

2. The Paper Microscope

https://www.foldscope.com/

3. Prakash Lab

http://web.stanford.edu/group/prakash-lab/cgi-bin/labsite/

4. The Pneumask Project

https://www.pneumask.org/

5. Li, E. Larson, A. Kothari, A. Prakash M. Handyfuge-LAMP: low-cost and electricity-free centrifugation for isothermal SARS-CoV-2 detection in saliva. medRxiv, 2020, DOI: 10.1101/2020.06.30.20143255

https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.06.30.20143255v1

6. Rabe, B. A. Cepko, C. SARS-CoV-2 Detection Using an Isothermal Amplification Reaction and a Rapid, Inexpensive Protocol for Sample Inactivation and Purification. medRxiv, 2020, ASAP, DOI: 10.1101/2020.04.23.20076877

https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.23.20076877v1

7. Hand-powered centrifuge setup can diagnose Covid-19 for just a dollar a test

https://www.chemistryworld.com/news/hand-powered-centrifuge-setup-can-diagnose-covid-19-for-just-a-dollar-a-test/4012142.article