當一個高燒的病患走進非洲農村診所時，診斷可能很模糊。症狀可能是登革熱、埃博拉病毒、西尼羅河病毒、瘧疾或流感，如果可以進行血液檢測，從遙遠的實驗室得到結果通常需要幾天時間。現在，一些研究人員正在分別研究廉價的紙質診斷測試，該測試可以在幾分鐘內準確地找出疾病的原因，並可以加快治療並防止其傳播。然而，缺乏資金和商業合作伙伴意味著大多數測試可能在實驗室裡停滯不前。
實驗性的紙質感測器可以檢測化學或生物分子，已被證明易於使用，無需昂貴的裝置或訓練有素的專家。它們的成本可能只有幾分錢，並且有望比目前市場上的快速診斷試劑盒更靈敏。更重要的是，它們可能具有更廣泛的應用，例如治療被忽視的熱帶疾病，這主要是因為製藥公司專注於擁有更大市場的廣泛疾病。除了每年在發展中國家拯救數十萬人的生命之外，這些紙質測試還可以透過允許在發達地區進行家庭疾病測試來降低醫療保健成本。
然而，儘管它們有許多好處，但這些裝置中的大多數可能永遠無法實現其承諾的風險。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
迷你實驗室
製藥公司已經銷售了數百萬種基於紙張的快速檢測產品，價格在1到2美元之間，用於檢測艾滋病毒、丙型肝炎和肺結核等疾病。這些都是簡單的橫向流動系統，類似於家用妊娠測試：一張紙條從一端到另一端吸取尿液或血液，樣本中的化學物質或抗體與適當的試劑相互作用，產生顏色變化。但它們的簡單性也是一個侷限。“它們確實有效，但它們是黑白色的，並且只測試一件事，”哈佛大學化學家喬治·懷特賽茲說。
在過去的十年中，懷特賽茲和其他人率先推出了新的測試，這些測試是紙上覆雜的微型實驗室。像微流控晶片一樣，紙質裝置可以分離、混合、過濾和濃縮流體，以及執行定時反應和控制它們的順序——所有這些都是透過在紙上構建流體吸收通道網路來實現的。懷特賽茲使用郵票大小的濾紙上的蠟進行這種構建，這些濾紙用蠟進行圖案化，以建立微小的通道和隔間。他的團隊使用噴墨印表機鋪設這些特徵，因此它們的製造成本僅為幾分錢。他還為3D裝置申請了專利，其中流體沿著層和層之間流動以進行更復雜的過程。
哈佛醫學院的化學工程師兼生物技術專家阿里·耶提森說，與今天銷售的橫向流動測試不同，“紙質微流控裝置可以執行需要多個處理步驟的更復雜的測試”。例如，它們可以重複測試以確保準確性，或同時檢測多種疾病，或測量目標分子的精確水平。而且，它們不需要樣品準備。
與此同時，華盛頓大學的生物化學家保羅·亞格開發了一種手持式塑膠裝置，其大小相當於兩疊紙牌，其中包含圖案化的紙條和含有試劑和染料的孔，使用者會將液體樣本插入其中。20分鐘後出現的點圖案可以由臨床醫生讀取，或透過智慧手機攝像頭髮送給其他地方的醫生。亞格說，批次生產時，該盒子的製造成本可能低至1美元。
殺手級應用
在國防高階研究計劃局(DARPA)的資助下，亞格和懷特賽茲都在研究紙質微流控技術的殺手級應用：核酸檢測。這將使醫療從業人員能夠透過檢測基因序列或病原體DNA來診斷多種傳染性和慢性疾病。亞格說：“目標是為基於紙張的核酸測試提出一個標準的足跡，您只需更改一兩個分子即可測試不同的疾病。”目前，核酸檢測是使用基於實驗室的聚合酶鏈反應（PCR）測試進行的，該測試會複製DNA鏈。耶提森說：“如果有人開發出完全基於紙張的PCR，那將是革命性的。”
但是，由於PCR需要一系列溫度迴圈，因此亞格和懷特賽茲使用所謂的等溫擴增，該擴增在60至65攝氏度的恆定溫度範圍內進行。挑戰在於找到一種廉價的一次性加熱機制。亞格的研究小組已經制造出一種可以準確識別耐抗生素的MRSA細菌的原型裝置，並且正在研究寨卡病毒測試。但是該裝置使用電池為加熱電路供電。研究人員正在嘗試使用裝滿100微米寬的鐵和鎂顆粒的茶包大小的小袋（類似於暖手器中使用的）來化學產生必要的熱量。與此同時，懷特賽茲和他的同事們製造了一種紙質機器，可以使用手持式紫外線光源和攝像頭手機檢測核酸。該測試的成本不到2美元，但需要一個培養箱進行加熱。該團隊正在開發一個內建的電子加熱器。
一些公司正在嘗試在發展中國家測試和部署紙質微流控技術。Diagnostics for All是懷特賽茲於2007年創立的非營利組織，目前正處於對服用強效肝損傷藥物的患者進行肝毒性測試的監管審批的最後階段。該裝置測量肝細胞分解時釋放的酶的水平。該公司執行長馬庫斯·洛夫爾-史密斯說，該公司還在開發針對丙型肝炎和艾滋病毒的核酸測試。
位於華盛頓州貝爾維尤的Intellectual Ventures正在測試兩種產品：該公司基於流動的診斷研究員伯恩哈德·韋格爾說，其中一種是2美元的瘧疾測試，其靈敏度比今天的橫向流動測試高100倍以上。那裡的研究人員還在開發一種簡易的肺結核尿液測試。今天的試紙需要咳出痰，這對患病患者來說很困難。
然而，迄今為止，大多數紙質微流控技術仍處於概念驗證階段。部分問題是將實驗室奇蹟轉化為在通常炎熱潮溼的氣候中穩健可靠的產品。韋格爾說：“製造相對酷的裝置很容易，但要使它們具有可重複性卻很難。”
最大的挑戰是缺乏對試驗、監管審批和製造的資金。“我們已經展示了一條道路，並進行了令人興奮的早期工作，”史密斯說。“但是這些都是非常昂貴的專案。要獲得這些測試的批准，需要數千萬美元。”
耶提森指出，由於製藥公司的回報率較低，因此在熱帶疾病領域普遍缺乏資金。懷特賽茲現在正在與兩家非美國的大型工業合作伙伴進行談判，他們對紙質微流控裝置在熱帶疾病以外的用途感興趣。“希望，”他說，“我們可以讓合作伙伴開發一個他們感興趣的應用的平臺，然後利用這些資金來開發可能在孟買或金沙薩有用的東西。”