科大研發「單管式」病毒及基因檢測平台

香港科技大學（科大）成功研發嶄新「單管式」病毒及基因檢測平台TEMPO，有望把原本需要在實驗室進行的高靈敏度核酸檢測，簡化為可於家中完成的單步驟檢測。用戶只需透過單一反應管操作，最快30分鐘即可獲取媲美專業實驗室水平的檢測結果。這項突破有望填補現時快速測試與實驗室核酸檢測之間的技術鴻溝，為未來傳染病監測及基因篩查提供更便捷的解決方案。

TEMPO全名為「熱力學編碼分子編程一體化診斷平台」（Thermodynamically Encoded Molecular Programming for One-Pot Diagnostics），由科大化學及生物工程學系教授邢怡銘教授帶領的研究團隊聯合香港中文大學（中大）的學者共同研發。該技術目前已應用於季節性流行性感冒、新型冠狀病毒、愛滋病等多種病毒檢測，亦為遺傳疾病快速篩查開闢新方向。相關研究成果已於國際知名學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表，論文題為「Thermodynamically programmed one-pot CRISPR platform for point-of-care SNP genotyping」。

領導這項研究並擔任論文通訊作者的邢怡銘教授表示：「傳統實驗室核酸檢測須經過多重工序，包括擴增微量的病原體遺傳物質、辨識樣本，並生成可讀取的檢測訊號。而『單管式』檢測，就是將所有步驟整合於單一反應管內。當中最大的挑戰，在於如何確保各個步驟能夠按照既定次序準確完成。」

為了精準控制各項反應的時序，科學界過往曾嘗試透過調整試劑濃度、將不同反應步驟進行物理分隔，或加入人工操作來協調反應進程。然而，這些方法往往穩定性較低，難以廣泛應用。科大團隊另闢蹊徑，利用熱力學原理，讓各項反應按照預設次序自動推進，從而實現更穩定、更簡便的時序控制，使原本需要經過多個步驟完成的核酸檢測，得以在單一反應管內完成。

邢教授指出：「這就像要烹調一道工序繁複的菜式，卻只能使用一個鍋，因此各種材料的處理次序至關重要。」在這類單管式核酸檢測中，整個流程通常包括核酸擴增及CRISPR辨識兩個主要步驟，兩者會在密封的反應管內競爭相同的原料。一方面，核酸擴增反應需要不斷累積目標分子，以產生足夠的檢測訊號；另一方面，CRISPR酵素則會即時辨識並消耗這些分子。若後者過早啟動，便可能令整個反應鏈停滯，令檢測難以在單一步驟下兼顧速度與靈敏度。

TEMPO的核心建基於一對經熱力學工程設計的DNA引物。其中一條為「原始」引物，能高效結合目標分子並驅動初步核酸擴增；另一條引物則被刻意設計成部分錯配，使其在能量上不利於結合，因而保持靜止。直至目標分子累積至超過預設的熱力學閾值後，方會啟動，並植入分子層面的「開始」訊號，即「鄰近間隔序列基序」位點，或Protospacer Adjacent Motif位點（簡稱 PAM位點），從而啟動一種可編程的CRISPR酵素，觸發快速且顯著放大的訊號讀取。團隊運用一組簡單的數學模型，以常微分方程準確預測依賴閾值的延遲啟動行為，從而提升引物設計的可預測性。

TEMPO的另一項重要優勢，在於能夠覆蓋傳統CRISPR診斷難以檢測的基因位點，包括眾多鄰近缺乏PAM、卻具有重要臨床意義的單核苷酸變異。即使目標序列之間僅相差一個DNA鹼基，系統仍能作出精準辨識。這有賴於其獨特的系統設計，即把CRISPR的「開始」訊號直接寫入引物中，而非依賴目標序列本身是否含有PAM位點。

測試結果顯示，TEMPO能在30分鐘的單步驟流程內，達到實驗室檢測的最高靈敏度標準，即阿摩爾（attomolar，1 aM）級別。團隊先後以模擬愛滋病病毒樣本，以及真實甲型流感病毒及真實新冠病毒（SARS-CoV-2）臨床樣本進行驗證，所得結果均與定量實驗室核酸檢測一致。此外，研究人員進一步將TEMPO整合至單步驟微流控晶片，針對三個具臨床意義的單核苷酸變異，檢測20個人類基因組樣本，檢測結果與DNA定序結果完全一致。

邢教授指出：「TEMPO採用化學性質穩定的DNA，毋須冷鏈儲存，也不倚賴複雜操作程序或大型儀器。使用者只需在單一反應管內，即可完成超高靈敏度的核酸檢測。這種簡便設計非常適用於診所、機場、家居，甚至偏遠地區，為居家檢測及即時檢測的普及應用掃除障礙。」

面對未來可能出現的新興傳染病，TEMPO有望成為一個能快速轉換檢測目標的通用平台。由於操作簡單且毋須依賴大型儀器，相關檢測未來有潛力直接於家居環境進行。是次研究所採用的單核苷酸精準度，同樣也為基因特徵與相關疾病的簡易篩查開拓了新方向，例如東亞人常見的「酒精潮紅」現象及酒精不耐症。團隊已展開下一階段研究，致力將TEMPO的應用範圍擴展至更廣泛的呼吸道及性傳播病原體的檢測。

展望未來，團隊計劃於未來一年進一步開發更高度整合、可由樣本直接得出結果（sample-to-answer）的居家及現場檢測裝置，並推動多項臨床應用研究，包括性傳播感染的居家檢測、多重耐藥菌的快速現場分子檢測，以及新生兒篩查、地中海貧血等遺傳疾病的基因分型檢測。團隊期望最終建立一套靈敏度和特異性均比快速抗原測試（RAT）優勝、但操作同樣簡便的居家核酸檢測平台，為應對未來可能出現的新興傳染病作好準備。