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全自动酶免分析系统的技术发展与现状

发布时间:2015-05-15作者:器械科整理

酶联免疫吸附试验(ELISA/EIA,简称“酶免试验”)是一项现代医学临床检验基本的、常规的检测技术。尽管在90年代初期,由于以聚合酶链反应(PCR)技术为代表分子生物学水平技术的发明,人们纷纷预测,酶免试验将被更高灵敏度、数百万级信号放大的、病原体水平检测的核酸放大试验(NAT)所取代。但由于免疫临床标志物(抗原/抗体)具有无法替代的临床意义、以及酶免试验具有操作简便、技术可靠,特别是,90年代末期ELISA检测系统的灵敏度和特异性以及检测过程的自动化得到了显著提高与完善,因此,酶免试验再也没人怀疑将被淘汰,而成为传染病血清学标志物(如肝炎、艾滋、致畸病原Torch)、肿瘤标志物及内分泌等各种临床免疫指标检测的主导技术。

支持酶免试验技术的进步,酶标板检测仪器朝着二个方向快速发展。一方面,侧重酶免试验的光学检测系统——酶标仪,到90年代末已达到至臻完美状态;随着纳米技术微量加样的发展,酶标仪将很容易由检测传统的96微孔板,转化为检测384微孔板,甚至1536微孔板,达到更高的检测效率。另一方面,侧重酶免试验处理过程技术——酶标分析系统,到90年代末已充分发展;随着多任务软件,如O/S2,Unix及Windows NT等操作平台的完善,满足现代实验室GMP/GLP要求的全自动酶标分析系统,正在世界各种实验室普及。应当指出,在发达国家全自动酶标分析系统的进步,是由法规要求严格、酶免试验结果至关重要的血站实验室需求推动的。这是因为,不同于临床病人检测结果,仅是医生诊断的参考数据,血站血液筛查实验室的检验结果判定,将直接决定血液的安全性。

以日本为代表的“全面实验室自动化”(TLA)运动,对于全自动酶免分析系统产生了巨大的需求。在90年代初期,手工酶免试验操作曾经成为TLA的主要障碍。目前,由于全面实验室自动化具有标准化、高效率、高质量的自动化与网络化特征,正成为临床实验室发展的新趋势。

酶免试验自动化与网络化的时代已经到来,全面实验室自动化不再是一种模型。了解这些技术进步将有助于高效临床实验室的建设与发展。


一 样本处理自动化

根据美国临床病理学院(CAP)的调查报告,实验室误差(ERROR)产生原因的79%因素,是因为实验过程中样本处理不当造成的。

区别与其他临床检验技术针对于每一反应单元对应于一份标本,酶免试验的样本处理必须基于批量化操作——96孔酶标板。为保障正板内各孔标本孵育时间最小差异,必须采用8通道或12通道快速加样。因此全自动样本处理机是提高实验精度、提高实验效率和避免人为误差和差错的关键设备。

第一代多功能(Robotic)样本处理机,是由瑞士哈美顿(HAMILTON)公司开发于1985年上市的Microlab 2200。这是一台基于机械臂运动和具有管路系统的稀释分配器(Diluter)原理,采用8或12根固定距离的特弗隆探针,由单任务的BASIC程序控制的样本处理机。

随着酶免试验的普及,基于管路稀释分配器原理的样本处理机得到快速发展,先后有数家厂商开发了十余种样本处理机,以满足实验室液体处理需要。如瑞士哈美顿公司的Microlab 4000等。

1989年,哈美顿公司独树一帜,开发上市了以专利技术的可抛弃塑料活塞注射器(Micro-syringe)为原理的,无管路批量样本处理机Microlab AT,试图满足更快的加样(12针)、无污染地加样、主动抛弃可能失去精度的加样针、摒弃不可预测的管路污染与稀释等实验室需求。1997年,AT系列增加改进为Microlab AT plus 2型。这种原理的样本处理机,具有全面的标本质量系统、加样质量保障系统。是唯一获得美国FDA许可,用于血液筛查实验室的产品。在中国自1996年开始引进AT样本处理机,迄今为止已有150余名。

样本处理自动化的最新技术进步,是以瑞士哈美顿公司于2000年8月推出的,第五代斯达尔全自动随机式批量样本工作站(Microlab STARTM,Sequential Transfer Aliquoting Robot)为标志的,这是世界上第一台符合2003年实施的IVD标准的全自动样本处理工作站。其主要技术特征是:

采用专利的压缩导入-O形环扩张(CO-RE)核心技术,实现标准加样的智能化、自动化;

理想的加样体系——气动置换加样原理ADP的实现;

实现任意加样动作编程同时使用不同的加样头(抛弃型加样尖和永久型探针);

实时实现液体双传感(△C-△P)技术;

全方位液面传感应用,特别是解决了酶标板的液面监测世界难题;

活性洗涤工作站(Active Wash Station)进行平行洗涤加样针,是提高加样速度的关键;

模块化、无管路、独立加样通道系统4——16通道,用户可以根据工作量进行升级;

智能增强的容错纠错系统(Sophisticated Error Handling);

实现全过程控制(TPC),全部步骤都在监控下运行,每个步骤都形成记录文件(TRACE),甚至对加样体积质量进行校验、备份,实现全自动GMP/GLP。

最新一代哈美顿—斯达尔的典型应用为:

*血站输出筛选实验室:

    ——ELISA实验                    ——标本留样存档(Archiving)  ——血型正/反定型实验    

    ——转氨酶和梅毒凝集实验  ——NAT汇集实验                       ——NAT试验无污染(RNAse/DNAse)加样

*医院检验实验室:

   ——样本处理中心(对病人标本分项处理(aliquot)生化/免疫/体液/血液/血凝)

   ——酶免实验室ELISA试验(标本、对照/标准、试剂的分配、稀释)

*分子生物学与生物技术药物筛选

   ——DNA纯化  ——PCR加样  ——DNA测序加样  ——克隆快速筛选分配    ——药物筛选自动分配

目前,酶免试验样本处理设备已开始在全国血站系统普及,其中哈美顿AT数量最多。样本处理机还是酶免自动化所需主动标本识别(Positive Sample ID)条码阅读的基本设备系统。此外,样本处理机还有下列重要意义。

*提高加标本速度与效率

*减少操作人员劳动强度

*使标本传染操作人员机会最小化

*通过减少人为失误和改善加样精确度与准确性来改善检测分析质量

*采用批量(batch)或随机(random access)进行多种组合与多种模式检测


二   全自动酶标分析仪

酶免试验全过程全自化的意义,并非仅仅限于降低劳动强度、减少人为的误差。根据已发表的费米(FAME)评价研究报告,人们发现:全自动酶标分析系统可以普遍地、显著地提高酶免试验的特异性,如费米系统可以提高乙肝表抗的特异性由常规设备的87%到91%,丙肝抗体由常规设备的89.1%提高到97.4%。此外,多中心的评价(Multi-center Clinical Trail)实验证明(1-3),费米全自动酶免分析系统也可以显著地提高国产试剂的灵敏度,如费米系统可以将乙肝表抗的灵敏度由常规设备的92%提高到93%,丙肝抗体的灵敏度由常规设备的93.7%提高到98.7%。

全自动酶免分析系统的发展,可以回溯到90年代初期。

第一代全自动酶免分析系统基本特征是单/双针加样系统与酶标板处理系统一体化,多数孵育位置少于4块板。由于加标本将占用较长时间(单针每板需15分钟,三块板通常需45分钟完成加标本工作),因此,第一代全自动酶免分析系统,被认为是“节约劳动力而不提高效率”。

第二代全自动酶免分析系统的基本技术特征为非常任务和单一轨道。由于不能同时地处理二种过程(如洗板的同时,不能加试剂等),因此,其工作任务表(或时间管理器TMS)“堵车”现象仍无法避免,而造成处理过程不能严格执行,试验完成时间延长,或单纯执行试验时间表完成实验动作而不论试验效率。不含标本加样装置全自动酶免分析系统,通常也俗称“后处理系统”。

第三代全自动酶免分析系统的基本特征是采用多任务、多通道,完全实现平行过程处理。典型产品为瑞士哈美顿公司的FAME(费米)全自动酶免分析系统。费米系统独特品质表现在:硬件上采用了综合模块化设计,广泛采用液体水平检测(LLD)技术、体积与重量传感、光学位置传感等实现了真正全过程控制(TPC),特别是专利的洗板液体传感器,确保了最佳洗板效果,是保障试验特异性的关键。在软件与功能上,目前仍是唯一的全自动GMP/GLP规范符合系统,如全面的系统跟踪记录(Traceability)与系统追溯(Trackability),标本/试剂加样校验(Sample verification)及“自由任务管理”实现随时增加检测板。1997年费米获得美国FDA许可,用于血站筛查实验室,至今仍是唯一的特许全自动酶免分析系统。

众所周知,酶免试验过程具有反应时间长而要求严格、步骤多而复杂。因此,就一项具体的酶免试验而言,其试验过程与完成试验时间是不可改变和缩短的。但对于多项的批量处理(Mass processing)时,总体的试验时间将大大缩短。例如,某大学附属医院免疫实验室,每天需要对180名病人进行肝炎8项组合检测,使用FAME 24/20+ATplus2系统,可在早期9点钟接收第一批90份标本,其“二对半”试验结果即可在10点54分发出报告,肝炎八项结果可在11点04分发出;连续工作下,10点钟开始收到第二批90份标本,在11点57分时其“二对半”结果完成,12点01分肝炎八项结果发报告。上述案例在常规实验室条件下,是很难完成的。

目前,全国已有近150台费米酶免分析系统用户,其中大学附属医院40余家。1996年开始中国血站系统使用费米设备,至今状态如新,性能可靠,已成为酶免实验室的主导设备。


三   全自动酶免分析连体机

全自动酶免分析仪器的开发已经历了15年历史。与生化分析自动化不同,酶联免疫反应是在预先包被了试剂的96孔酶标板上进行,加样速度越快,每个标本的孵育时间一致性越高,孔间差异越小。因此,医疗器械厂商不得不开发独立的、8——12通道的全自动样本处理机来满足这一技术要求。这就是“前处理设备”概念的由来。

对比生化分析仪的试验反应过程,酶联免疫试验是十分复杂的。这就要求全自动酶免分析仪具备多任务平行处理能力,特别是要具备自由任务——资源管理系统,以保证随时增加任务菜单和急诊插入,并且要求酶免实验过程不受加样处理的影响。也就是说“后处理设备”必须相对独立于“前处理”,以实现最优反应过程(实验质量)和最大化分析生产力(throughput)。

根据全自动酶免分析系统的处理模式,人们通常将全自动酶免分析系统的处理模式,人们通常将全自动酶免分析仪分成二类,即一体机,如Biro、AMP、Alisei、变色龙等;分体机,如AT和费米;斯达尔和费米;RSP和MPP3000;VIVICE和DIAS;RSP和BEP-lll等。

2003年,瑞士哈美顿公司采用最新的信息技术和实验工程技术,成功地实现了“前处理”全自动样本处理工作站——斯达尔,与“后处理”全自动酶标分析仪——费米连体化,即全自动酶免分析连体机——“FAME-STAR,辉煌之星”,也创造了全自动酶免分析系统新分类,即连体机。“辉煌之星连体机”保持了原来的前处理设备和后处理设备的优秀品质同时,使用一台微机、一套操作系统实现了一人操作,实现由自标本加样、稀释到酶标孵育、洗板、加试剂、读数和结果打印全自动。同时,原来的前处理和后处理也可以独立工作。

“辉煌之星”全自动酶免分析连体,特别适宜临床酶免实验室的多项目、高标本量应用。




四 分析系统网络化

临床酶免实验室局域网络化是实现“全面实验室自动化”重要环节之一。由于西方国家传染性疾病流行率,特别是肝炎流行率较低。因此,临床酶免实验室局域网络技术的发展相对落后于血站筛选实验室局域网络。对于亚洲国家来讲,由于较高的肝炎流行率,临床酶免实验室局域网络与血站实验室局域网络有着相同的优先发展需求。

区别于血站酶免实验室,临床酶免实验室将承担更多的检验项目,更复杂的实验方法学(如定量检测)和更复杂的标本来源与实时工作模式。

1999年中文版“澳斯雷勃(AusLab)酶免实验室管理系统软件”开始在国内血站筛选实验室和医院临床酶免实验室应用。其基本技术特征是:

1、Windows TM下运行,32位软件,完全中文图形操作软件。

2、符合Clia′88规范的酶标实验室管理系统。符合HL7医疗网络数据标准,便于局域、区域、国家及国际网络数据库共享。

3、全面的酶标板实验管理、酶标仪控制、结果判读、病人/献血员结果汇总与诊断管理。

4、完善的实验方法定义,包括酶标板设置;检验方法选择;操作过程定义;试验参数编程;实验有限性原则编辑;实验质控管理等。

5、检测方法包括:定性ELISA、定量ELISA、酶动力学(GPT)、凝集法(血型/梅毒)。

6、实验室管理,包括:病人/献血员工作医嘱/任务单;标本管理;试剂批号及使用管理;试验结果判定逻辑(初次/重复反应/确认试验)管理;实验过程跟踪;全面的报表、统计功能。

7、独特的实验QC/QA系统。实验质控统计,用户可自由选用定义L-J质控图、Westgard质控原则。质量保障(QA),含系统维护保养记录,全部试验记录等。

8、与其他实验室仪器联网功能。加样设备:如AT、STAR、GENISIS等;全自动酶标仪:如FAME等;非酶标免疫设备;如ACS180等;生化分析仪:如日立7170等。

9、实验操作员与使用权限管理,详尽的实时在线帮助和Clia′88规范的操作手册。


五  展望

酶免实验室的自动化与标准化,是全面实验室自动化系统(LAS)的一部分。实现酶免试验自动化网络化,是涉及酶免加样(前处理)设备、酶免分析(后处理)设备与医学信息技术、实验室管理科学综合的崭新系统集成高技术,是迈向全面实验室自动化的重要基石。

截止1999年底,在日本已有160多家医院使用实验室自动化系统(LAS),实现了全面实验室自动化(TLA)。作为面向21世纪先进、高度综合的LAS,目前正向二个方向发展,即用户导向的开放系统和制造商一揽子的封闭系统。前者是建立在目前用户已有设备基础上,是模块化的系统整合,但需要制造商建立并遵守标准化协议。

实验室自动化系统是由样本处理与传递技术、开放式实验室仪器和开放式实验室信息系统(LIS)集成而至,并与医院信息系统(HIS)联网。实验室生产力将达到每天20万试验。常规实验如生化、血凝、血液常规、输血项目等在1小时内发报告,而检测时间长的项目如酶免、病理也将在2小时内发出报告。

高分析生产力的酶免分析系统,快速发报告意味着快速诊断、快速治疗、将给患者与医院带来双重利益。实验室自动化的目标就是提高检验的质量,增收节支。可以预测,作为一项医疗服务竞争策略,酶免实验室自动化网络化将给中国新医疗服务体制下的医院酶免实验室带来新的优势与利益。

尽管只有少数全自动酶免分析系统在硬件和软件上,符合GMP/GLP规范,具备全过程控制(TPC)系统,可以全自动生成操作日志记录(Traceability)和系统追溯记录(Trackability),这些性能不但有助于建立信息化的质量控制(QC)和质量保障(QA)体系,而且在医疗纠纷举证中,这些记录证据可以阐明实验操作正确性和可靠性,以及试剂厂商是否应承担试剂质量责任,便于纠纷的处理。

毫无疑问,酶免分析自动化和网络化的时代已经到来,全面实验室自动化(TLA)已为期不远了。

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