赛默飞斥资30亿并购的分子诊断企业，Mesa 为什么这么值钱？（下篇）

这种一体化全自动的核酸检测系统最关键的部分就在这卡盒的设计当中。现在经历了两年多疫情防控，贩夫走卒都能不啦不啦出来核酸检测包括的取样、提取、扩增几个流程，因为大小媒体都在科普，“你知道核酸检测结果为啥要等这么长时间吗？”。所以说，这类系统精妙的地方就是在于，怎样把传统检测方法中的这些步骤在一个“卡盒”里全自动的实现。我们先看看Accula的内部真容。

图片来源：和设计沟通…绝望…求助 (douban.com)

吸管在向卡盒加样的时候，要通过加样孔杵到底，也就是图中5002样本杯的底部，避免产生气泡。样本杯下面连着一个凹坑，里面放着冻干状态的裂解试剂，再下面通过5005管道连着标为5006的第一个反应仓，也就是样本裂解反应发生的地方，这个仓有两个出口，一个是继续向下通往5010的液体通道，一个是右上角连通着样本杯的气体通道5007，这条通道呢还有一个出口，就是上方中间画的那4个小方块（5009，通气孔）的第2个，这个功能后面会讲，这是精髓。下面那两个仓以及右边的试纸条仓也是一样，分别是前端固化了逆转录试剂冻干球的逆转录仓、固化了PCR试剂冻干球的PCR仓，和固化了杂交探针（图中没标）的检测仓，都是一个入口接收上级的液体试剂，一个通气出口连到前述小方块之一。

重头戏来啦，这块儿是重点，回头要考。

当样本被挤进样本杯的时候，裂解仓的气体出口是和样本杯通过5007管道连通着的，所以在样本液体的上下两面气压是平衡的，液体受到重力的影响就会经过往下流，溶解掉5004的裂解试剂冻干球，通过5005，流进裂解仓5006。裂解仓的下面是逆转录仓5011，但这个仓的气体出口是连接到封闭状态的第三个通气孔（5009），所以这里面的空气是固定不能流动的，从而顶住了裂解仓里的液体再往下流动，相当于这一步把液体封在了裂解仓里。这个过程是发生在加样的时候，加完样本，要把底座右边的翻转盖盖上，里面有一个简单的联动齿轮结构，推动卡盒上方的一个挡片把样本杯上口堵死，形成卡盒内部的密封。

上有盖封，下有气栓，液体样本被怼到墙角动不了了吧，下一步就可以把样本中病毒进行裂解和核酸释放了。Accula的裂解原理采用的热裂解方式，90度加热1分钟，再冷却到50度，这是怕不凉下来把下一步的逆转录酶烫死。温度控制是在卡盒里贴在流道层背后的柔性电路板上的加热电阻丝和热敏电阻来实现的，包括下面逆转录反应、PCR反应以及试纸条上核酸杂交的温度控制，都是采用的这种方式，用电阻丝通电发热，热敏电阻传感器发现温度到了，告诉底座给加热器件停电，然后反应仓自然冷却降温，到了需要降到的温度，底座再给通电发热，反反复复，实现温度控制，当然这里面还涉及了一些算法，比如PID啥的，这一块儿就留给以后我们搞电的小伙伴去科普吧。

图片来源：adoutu.com/picture/info/77412

再来看看Accula的温控器件，看图说话，在柔性电路板上固化了加热电阻丝（曲里拐弯的细线）、热敏电阻（小黑点点），以及跟底座电连接的触点（大黑块块）。这张图应该是Mesa的早期作品，是只有两个反应仓的版本，但不耽误理解。这个柔性电路板就贴在了卡盒流道层的背面，所以卡座给电热丝通电的时候，就给相应位置的反应仓升温，断电就等着反应仓自己凉凉。至于正式上市的产品，卡盒和底座的的电连接，应该是把触点都归置到卡盒的底部，做成金手指的形式了，没见过真家伙，只能靠猜。

下一步，微流要开始控了。裂解动作结束了，得让液体从裂解仓往下走才行。刚才说了，第三个通气孔堵住了啊，让里面的空气顶着，液体下不去啊。发现上面电路图的上方中间也有三组电阻丝没，就是靠的这个，通电，加热，把第三个通气孔烫破，打通气道。这可不是简单的烫破哈，看下图。

还记得吧，裂解仓有一条管道向上连着样本杯，还连着第二个小方块的通气孔，这个通气孔原本就是开放的，就是上图的54。裂解完事，程序下命令，放试剂去逆转录吧，底座就给电热丝70通上电，瞬间加热，把第三个小方块的通气孔50表面的不耐热膜80烫穿，让50和54连通。这样，逆转录仓5011的气体管道就和样本杯啊裂解仓啊这些都勾搭上了，裂解仓内的液体就能顺畅的向下流到逆转录仓，又被下游的PCR仓和还封着的第四个通气孔形成的气段顶住，即可启动逆转录温控程序了。后续同样道理，烫穿第四个通气孔，液体流进PCR仓，进行PCR反应，再烫穿第一个通气孔，PCR产物流到检测仓里和带标记物颗粒结合，靠试纸条的毛细作用向上爬，爬到质控线和检测线的时候与相应的核酸探针杂交，形成条带。

我们从图中可以看到，当某一个通气孔在被加热打开的时候，液体的体积与液体上下相连通的空气体积，实际上没有数量级上的差距，这就造成了依靠作用在液体上的重力，难以对这一段体积有限的空气进行压缩而推动液体向下流动，或者说即使流动，也会非常缓慢。这就要求液体相连的空气体积足够大，才能形成液体重力作用下压缩空气体积，空气在受压缩后的压力平衡作用把力施加在液体的上表面上，引起液体的迅速运动响应。因此，Accula的卡盒中增加了一个关键的设计，就是第一张图中的5021膨胀仓，在流道层的5008位置有一个开孔和密封的膨胀仓相连，这样就给整个液流通路中加了一个大大的空气体积，使得空气体积远远大于液体体积，就可以促进通气孔打开后，液体迅速的流动到下一个仓室。由此可见，无论是流体管道的设计，还是气液互动的作用，这里面都涉及了非常多的细节和参数，相信Mesa也历经了无数波折，举个栗子，下面是Mesa专利里提到的几种仓室液体出口的形状设计，大家猜猜最终人家用了哪种？

从设计理念来看，Accula系统使用了一种无源型的液流驱动方式（如果忽略通过电热器件打开通气阀的话），温控采用的最简单的电热丝加热自然冷却方式，检测采用了试纸条显色肉眼判读的方式，卡盒流道层密封采用了胶粘的方式，这所有工艺的选择原因，在专利中都有多次提及，就是为了便宜便宜再便宜。我们都很清楚，成本问题是困扰全自动微流控系统得以应用的致命问题，而成本压缩的程度，往往又带来了性能、适用性，甚至可靠性等方面的妥协和隐患。

我们可以看到Accula方案采用的是热裂解然后直接进行后续反应，从声称的检测灵敏度指标来看，灵敏度还是不低的，达到150拷贝/毫升的LoD，换算一下也就是9拷贝/60微升样本，希望后面能够看到更多的实际测评数据。另外，Mesa的专利中提到了他们也曾有过集成核酸提取纯化流程的方案，估计还是更多的考虑成本问题才没推上市，毕竟这个附加的纯化模块复杂度远远高于现有的卡盒，成熟度当然也会随着复杂度的提升而降低。放一张图大家看个热闹吧，挺好的设计，就是不知道好不好用。

另外一个很重要的问题就是可靠性或者说安全性。前面已经说过，Accula系统的液路控制是靠一个密闭的气液相间通路，以重力和气压平衡作用实现驱动力，通过加热烫破通气阀控制不同仓室的液体流动，这就对几个关键点提出了非常严格的要求，比如膨胀仓的密封性、通气孔耐热膜的热抗性、样本杯盖的密闭性等等。因为反应过程中液体还有高温环节（最高90度以上），由此产生的压升对管路中，尤其是空气部分，影响颇为严重。一旦发生密封部位或通气孔耐热膜的破损，虽然原理上不会对反应过程造成严重影响，但样本和扩增产物的泄漏风险，从而造成设备乃至实验环境的污染风险，可能是个比较大的bug。

很不幸，最近一次江湖流传Mesa Accula的消息是，FDA对他家的新冠产品做出了召回处理，理由是由于生产环节污染的原因造成可能导致假阳性结果的风险，而且采用的是最严重的I级召回，所以这一事件可能会对整个微流控技术方向带来更多的质疑目光。这个消息出来之后也没有看到更多的说明或澄清，快两个月过去了，也没有进一步的解决掉问题的报道，恐怕不是简简单单的生产设施污染问题。如果是前文猜测的原理上可靠性问题被我的乌鸦嘴不幸言中，估计剩下那一亿刀可能不太容易拿到了。

分子生物学的反应，基本上也就是两个关键因素，一个是化学试剂组成和酶促反应原理，再一个就是温度控制，无论逆转录还是PCR，亦或是核酸探针杂交等等，都是在控制这些化学反应流程顺序发生的最适合温度，所以温度控制是分子生物学仪器设备里面最常用也是最关键的部件，时而升温时而降温，又要快又要准，这事还是挺啰嗦的。常见的温控部件有帕尔贴制冷器、电热陶瓷片等等器件，甚至还有人用激光或微波加热的。加热方式有好多种，但制冷上除了帕尔贴和远古设备中的制冷压缩机有主动制冷能力，其他的制冷方式基本上就是靠吹了，也就是用空气主动或被动散热。因此，我们看好多PCR仪器的性能参数的时候，会发现平均降温速度总是比不上平均升温速度，为啥？因为降温效率没有升温高啊，电气系统总会有一部分功率被变成热量浪费掉，怎么提高温控系统的功率效率，是我经常用来折磨范哥【注2】的杀手锏，屡试不爽，每次都很开心。

Accula系统采用的是电阻式加热器件和被动空气制冷方式，加热作用的效果很直接很高效，制冷靠各个反应仓自己凉凉，有经验的童鞋们就该说了，那得多慢啊？事实上，人家Accula跑一次全流程下来，号称只需要30分钟，包括了热裂解1分钟，逆转录6分钟，40个循环的PCR，最后还得去试纸条上做杂交，这一步貌似也要6分钟才能看条带结果，算下来，PCR过程的一次升降温循环也就是24秒左右，照着市面上诸多所谓30分钟快速PCR产品的宣传口径来讲，Accula系统16分钟以内就能做完PCR，惊不惊喜？意不意外？吓不吓人？这是怎么实现的？丽姐告诉我公众号文章不宜太长，好吧，咱们下篇再说。

任博士

2022.6.29