临床分子诊断实验室自动化发展方向

冯忠军，主任技师。现任河北医科大学第三医院检验科副主任（主任级），感控科特聘专家。兼任河北省医师协会检验医师分会副主任委员、河北省中西医结合学会检验专业委员会副主任委员、河北省微生物学会临床微生物专业委员会副主任委员、河北省医院协会临床检验管理专业委员会副主任委员、中华预防医学会感控分会第五届委员、中国老年医学学会感染管理委员会委员等。《河北医药》杂志编委、《中国免疫学杂志》特约审稿人。

临床分子诊断自动化系统及全自动化集成式分子诊断系统以其通量大、重复性好、高效、封闭体系防污染、可实现精确的温控及复杂的预处理过程，同时对实验场地要求不苛刻等优势而备受关注。本文主要针对目前主流应用的分子检测技术、分子检测的发展方向以及自动化分子检测实验室案例等方面与同道进行分享。

一、目前主流应用的分子检测技术

目前主流的分子诊断技术主要分为四大类，包括核酸分子杂交法、基因芯片法、PCR聚合酶链式反应法以及基因测序法。在这四类分子诊断技术中，FISH原位杂交是核酸分子杂交法中的主流方法，也是检验医学工作者比较熟悉的一种方法。基因芯片法中微阵列芯片和微流控芯片目前在实际工作中都有广泛的应用。PCR技术在新型冠状病毒感染疫情防控中的作用人尽皆知，是目前应用最为广泛的分子生物学检测技术，从第一代的定性PCR、到第二代定量PCR、第三代的数字PCR，目前以二代实时荧光定量PCR技术为主流。基因测序堪称近年来发展最为迅速的分子诊断技术，经历了四代技术和平台，目前应用最多是高通量测序技术。上述这几类分子诊断技术各有优缺点，其应用领域也有所不同。在临床检验实际工作中以PCR技术应用最为广泛。作为一种体外核酸扩增技术，PCR技术模拟自然DNA复制过程，通过重复高温变性、低温退火、中温延伸等简单的3个温度循环，将靶DNA扩增百万倍以上。PCR实验室按照目前要求至少分为三个区，即试剂耗材准备区、样本制备区以及扩增分析区。这三个区域分别承担不同的功能，而且要求这三个区里面空气、人员和物资要遵循单向的流动，防止交叉污染。目前PCR技术在临床应用中尚存在以下难点：一是对操作人员专业要求高；二是自动化程度整体偏低，需要多种类型仪器协同开展，急需自动化，标准化；三是出报告时间长；四是实验室建设要求高。分子生物学检测实验室的自动化建设有助于破解以上这些难题。

二、自动化是分子诊断的发展方向

自动化是临床检验的发展方向，临床分子诊断亦是如此。自动化带来了“检测系统”的概念，即检测仪器、试剂和校准品的一体化，从而避免了仪器、试剂和校准品任意搭配所带来的检测系统和结果准确性的问题。总体来看，PCR检测的自动化始于核酸提取技术的发展，从经典的煮沸法到柱提法、再到磁珠法，实现了从手工到全自动的跨越。PCR实验室向自动化的发展趋势包括：其一，简化操作流程，自动化代替手工操作；其二减少设备类型，用“流水线”代替大量手动操作或组合式设备；其三缩短反应时间，即优化核酸检测处理过程以及扩增反应体系，缩短核酸提取时间以及逆转录和扩增反应时间；其四提高空间利用率，设备一体化成为趋势。自动化流水线是分子诊断的发展方向，从水浴锅控温的扩增仪到荧光定量PCR仪，到后来全自动核酸检测系统，以及现在的流水线式全自动核酸检测系统。PCR检测有望实现像生化、免疫和临检那样的自动化检测过程。

核酸提取及扩增一体机自动化的实现，使得原本需要分区处理的样本能在一个箱体内处理，降低了基因扩增对实验室的要求，使得基层医疗机构也能开展基因扩增检测。越来越多的实验室采用一体化的核酸检测分析系统。核酸检测全自动一体机是由开合盖模块、核酸提取加样模块、荧光PCR检测模块三部分构成，各区独立，防止交叉污染。一体机的各个模块分别对应进样区、试剂耗材准备区、核酸提取区以及扩增区。PCR检测流程的全自动化给我们带来很多便捷，同时极大地节省了实验室的空间，也降低了对于环境的要求，部分实现了分子检测的智能化，从样本原始管上机到报告输出全流程自动化。在自动化流水线检测平台的加持下，部分核酸检测实验室在新冠核酸检测中基本可以实现智能/智慧实验室这样的模式，实现了全场景监控，包括样本的实时状态、检测过程、复检信息、存储位置、报告审核等。每个样本信息流转过程可追溯到具体的机器，在节省人力的同时实现自动报告审核与上传。

三、自动化分子诊断模式

1. 万人核酸检测基地：以部分核酸检测基地为例，在新冠核酸检测中其每天处理的量为20万管，如此大的检测量需要很高程度的自动化支撑。类似场景下流水线自动化配置方案在核酸检测过程中基本都是运用样本超快速分杯加上超快速样本处理，再进行上机扩增这样的组合，相对来说需要人员介入，这是最常见的一种模式。

2. 分子检测一体机：高通量POCT核酸检测一体机在新冠核酸检测中发挥了重要作用，不仅体积小、重量轻，也实现了样本进、结果出，具备无人值守、节省空间的特点。其应用场景适合于夜间急诊、社区医院/诊所、发热门诊、CDC/基地实验室等。

3. 高通量核酸检测方案“微型实验室”：该实验室不是传统意义上的实验室，其空间相对较小，例如移动方舱实验室，可以实现高通量检测，既节省人力也节省空间，具有安全、高效、便于管理、移动性强、全地形、全天候等特点。

沈佐君，教授、主任技师，博士研究生及博士后导师。中国科学技术大学附属第一医院（安徽省立医院）伦理委员会主任委员兼办公室主任，安徽省临床检验质量控制中心常务副主任。主要从事分子诊断、高效毛细管电泳、液相色谱质谱等技术临床应用研究 。兼任中国医学装备协会临床检验装备技术专业委员会副会长；中国医师协会临床检验专业委员会常委；中国医院管理协会临床检验专业委员会常委；安徽省医院协会临床检验专业委员会主任委员；中国合格评定国家认可委员会医学实验室认可主任评审员等；《临床输血与检验杂志》副主编；《中华检验医学杂志》、《临床检验杂志》、《临床医学》《分子诊断与治疗杂志》等杂志编委。承担国家科技部重大专项分课题、国家自然科学基金面上项目和安徽省自然科学基金共7项。获安徽省级科学技术二等奖2项，三等奖4项，在国内外发表文章130余篇。第八届国家卫生计生突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。