【文/ 谭骁天】

一滴血里面有什么？从一滴血里又能看到什么？

因为美国公司的科技骗局，人们曾经对“一滴血诊断”失去了信心。但是现在，在我们研制的“尖端”系统里，一滴血里包含着的海量信息都能方便获取，也许将改变疾病检测的未来。

“一滴血测200种病”的骗局是怎么回事

2018年，《Bad Blood》一书横空出世，讲述了Theranos公司“一滴血测200种病”的神话崛起与崩塌，引发了全球对“微量血液检测”的深度反思。这场科技泡沫的主角，是被称为“女版乔布斯”的伊丽莎白·霍姆斯（Elizabeth Holmes，ps：这个姓其实就是福尔摩斯的另一种译法）。

2003年，这位被贴上“天才少女”标签的创业者19岁，她从斯坦福辍学，创办了Theranos公司，立志用“一滴血”颠覆整个医疗行业。她总穿着一件与乔布斯同款的黑色高领毛衣，经常用低沉而富有磁性的声音向投资人描绘一个充满诱惑的未来：

“只需从指尖轻轻一扎，采集一滴血（约50微升，相当于一滴水），放入Theranos精心设计的微型采血管Nanotainer，再插进一种名为Edison的神秘设备中，便可检测200多种与疾病有关的分子指标——从血糖、胆固醇到肿瘤标志物。这种方式无痛、快捷，还能大幅节省医疗成本。更重要的是，由于无需采集静脉血，用户甚至可以在药店、甚至居家自行完成采样。”

Theranos公司的创始人霍姆斯曾提出使用指尖血检测二百余种疾病标志分子 左图来源： every-day-development.com，右图来源usatoday.com

在她的构想中，Theranos将开发出一整套可适配10–50微升血样的检测技术。除了血常规分析（目前已广泛应用），她还希望实现对代谢物、激素、酶、肿瘤标志物等分子指标的检测。

而其中最具挑战的，就是那些本身在血液中含量极低（通常在皮摩尔级，十亿分之一毫摩尔）的分子，比如早期癌症相关的蛋白标志物。这类指标必须通过抗体等高特异性的免疫探针和配套的高灵敏度生物传感系统（如磁珠等）进行分析，技术门槛极高。如果在2010年前后就能用10微升指尖血完成这类复杂检测，无疑将是一次革命性的突破。但也正是因为目标如此高远，实现的难度也同样很高。

Theranos公司开发的微量指尖血采集装置，后端配有适配微量样本的真空集血管 Theranos公司宣传片

Theranos团队很快发布了一款便捷易用的指尖血采集装置，还附带有能定量保存50微升微体积血液样本的抗凝管。由于有了实物加持，这个充满未来感的设想迅速引来各路名人投资：拜登、基辛格、切尼、默多克等纷纷站台支持，Theranos估值一度飙升至90亿美元。

然而，他们迟迟未能真正突破微量样本免疫分析方面的技术难题，现实与承诺之间的差距越来越大。那个名为 “Edison” 的分析设备，本质上和传统的磁珠化学发光平台并无本质区别，只是试图将操作体积缩小到微升级别。但这反而让技术难度陡然上升，设备频频出现取样不稳、数据不准的问题，尤其是在面对低浓度标志物检测时，几乎无法完成原定任务。

为了维持运营，Theranos的实验室只能大量依赖传统大型检测设备“兜底”分析。问题是，这类检测平台本身设计是用于更大体积的样品，名义上需要100–200微升样品，但实际操作常需300–500微升，远超指尖血所能提供的体积。如果一定要进行测试，只能对指尖血样本进行高倍数的稀释。因为老板霍姆斯坚持使用微量指尖血进行一百余项免疫分析，技术人员不得不将原本仅有的20–50微升指尖血血清反复稀释，有时甚至会被稀释上百倍，才能满足传统免疫分析设备的样本量要求。

因进样装置限制，常规免疫检测设备需要的样本体积较大，无法分析指尖血这样的微小体积样本 作者自制

在严重偏离规范的前提下，检测结果的准确性几乎无法保证：同一位患者，前后两次结果可能天差地别——一次“完全正常”，另一次却提示“高度癌症风险”。到了后期，Theranos的整个运作方式，已几乎与诈骗或传销无异。

然而，泡沫总是有破灭的那一天。2015年至2018年间，《华尔街日报》的调查记者约翰·卡雷鲁持续追踪报道，最终戳破了这个被精心包装的技术神话。随着骗局曝光，Theranos轰然倒塌。2018年公司彻底关闭，霍姆斯因多项欺诈罪被判入狱11年。

要知道一滴血里有什么，需要真正适配的传感技术

Theranos倒下之后，“一滴血诊断 ”这一原本充满未来感的概念也仿佛被打入冷宫。Theranos开发的微型采血器件也从此消失在历史长河中，哪怕它本身其实是一个设计精巧、采样便捷的工具。更讽刺的是，在相当长一段时间里，甚至连生物传感领域内也少有人再敢高调谈论用指尖血进行肿瘤等重大疾病的筛查——哪怕这个想法本身并不荒唐。

Theranos的失败，并非因为“一滴血”不是一种有效样本，而是因为如果要分析好这滴血，首先需要开发一整套复杂的传感分析机制、样本处理方法、配套传感、反应器件及设备。他们开了个好头，但没能真正解决这个问题。Theranos的教训也告诉我们，仅靠概念无法解决科学问题，要真正了解一滴血的潜力，需要回到科学本身。

如果我们愿意回到科学的基本面，做一做简单的计算，看看“一滴指尖血”中到底藏着什么，就会发现：仅仅50微升的血液中，就包含着约2.5亿个红细胞、35万个白细胞和上千万个血小板，这个数量已经非常可观了！由于相对庞大的数量和相对较为明显的形态、尺寸差异，目前通过指尖血进行外周血细胞的分类和计数已经不再是什么难事。读者朋友去医院做快速血常规检查，用的就是基于指尖血的测试。

但是，指尖血承载的更深层次的生物分子信息仍像一团难解的迷雾。特别是免疫功能的分析，相比之下要比单纯看细胞数量要复杂不少。仍以50微升指尖血为例，其中一般包含着5到15万个淋巴细胞，尤其是T细胞（3-10万个左右）和B细胞（1万个左右），它们正是识别病原、清除感染、建立免疫记忆的核心力量。B细胞可以分泌抗体，而T细胞可以释放细胞因子调节免疫应答，也可以直接杀伤靶细胞。

每一次感染病毒或细菌，或者接种疫苗，人体都会产生针对该特定病原体的独特抗体谱（免疫响应指纹）。而即便只有一微升血液，其中也可能含有十万到上百万个特异性抗体分子，以及数万个调控免疫的细胞因子。这些微量却信息丰富的分子，悄然记录着个体的疫苗接种史、感染经历、当前免疫及疾病状态——不仅能回答“是否曾经感染过”，更能揭示“现在还有没有免疫保护”。然而，即便是样本中含有数十万个目标抗体，在基于一滴血的免疫功能的分析方面，磁珠化学发光等传统大体积方法常常是爱莫能助。

我们难以从一滴血中读出足够信息，原因并不是其生物信息含量不足，而在于缺乏与之匹配的检测手段和技术路径。这也正是我和我的团队试图去改变的方向。

我们设计了一个“尖端”系统

让我们盘点下经典的免疫防护能力分析技术，要精准评估抗体免疫功能和T细胞免疫响应能力，传统的方法有ELISA、病毒中和实验、干扰素释放试验等免疫检测手段。

这些成熟的方案，全流程极为漫长。特别是病毒中和实验，常需要将细胞、病毒、血清样本在高防护性的特殊实验室中共同培养两到三天，不仅很慢，而且所需的人力、耗材成本同样高昂。更为重要的是，上述传统方法在微量样本面前往往“失效”——样本量不够，稀释又会导致信号太弱。针对T细胞功能的干扰素释放试验也有类似的问题。

为了破解微量血样检测的技术瓶颈，我们开发了一套全新的便携式化学发光免疫分析平台，它从一开始就是为“只用一滴血”而设计的，目标很明确：只用1微升指尖血，就能快速得出结果。平台包含可与移液枪头一体化集成的微流控免疫反应器及一个化学发光成像站，总重量大约为3kg, 一名成年男性用一侧手臂可以轻松拿起，这套系统名叫TOI（Tip Optofluidic Immunoassay），我们组里的小伙伴还给它起了个小名，叫做“尖端”。

在免疫分析元件方面，我们采用工业级微注塑工艺，打造出一种可直接装在移液枪头上的微流控反应器。它本质上是一根精细的毛细管，通道窄、体积小，但每微升液体的管壁接触面积极大，有效提高了内壁与蛋白分子的吸附能力强，显著缩短了分子扩散距离。不仅缩小了抗体用量，也让抗体和抗原能更快“遇上”。整个免疫吸附反应几分钟内即可完成。

配合高灵敏度的CMOS相机和经过精心优化的缓冲液体系，即使是pg/mL级别的低丰度蛋白也能被准确捕捉。最终，TOI平台实现了传统方法难以同时达成的检测性能：1–15微升血样、40分钟内同步完成结合抗体水平与中和能力的评估，极限信噪比可达10000，动态范围覆盖4个数量级。

（A）便携式化学发光免疫分析平台（B）可与常规移液枪头集成的微流控免疫反应器件“尖端” 作者自制

在抗体检测方面，TOI不仅能判断体内有没有抗体，还能进一步评估这些抗体有没有“战斗力”。

为了实现抗体中和能力的体外分析，我们还通过合成生物学的方法设计了一组蛋白探针 作者自制，已发表在hLife

为了解决传统病毒中和试验漫长且费力的困扰，我们开发了一套在TOI平台上直接使用重组蛋白进行中和能力测试的纯体外评估体系。我们设计了一套更安全、更方便、更稳定的蛋白探针组合，用来模拟病毒和人体细胞结合的关键过程。其中包括一个可与传感器定向结合的重组细胞表面受体，还包括一个用来“伪装”成病毒的刺突蛋白三聚体探针（探针尾部还有一个能引发化学发光的“信号标签”）。

在实际测试中，如果血液中含有具备中和能力的抗体，就会阻止这两种探针结合，导致发光信号下降。得益于我们对探针结构和反应空间的优化，TOI抗体分析的灵敏度比传统假病毒实验大幅提高。配合我们开发的结合抗体定量方法，只需一小滴血，就能同时判断疾病特异性抗体的数量和功能。虽然技术方案上比较“激进”，但整套流程快速、准确，为个体免疫状态的即时评估提供了真正可落地的技术方案。

在这一系列研究中，包括蛋白分子探针、免疫反应器、化学发光观测系统在内的整套TOI系统，全部的设计、开发、配件生产工作均在国内完成。在微流控免疫功能分析这个小领域里，虽然尚未实现整个供应链100%国产，但最起已经没有了被卡脖子的后顾之忧。

走进真实世界，“尖端”能告诉我们很多信息

采集志愿者指尖血 作者自制，已发表在hLife

2023-2024年，我们以“请志愿者喝一杯奶茶”为吸引，招募了身边的科研战友和热心群众志愿者。靠着他们捐出的一滴滴指尖血，我们得以一窥人体免疫系统对传染性病原体的反应。原本我们只是想验证“能不能测得出”，没想到结果远超预期——这滴血还真能测出不少有趣的东西。

1. 体内抗体的能力

我们检测了志愿者体内针对新冠病毒的抗体。

首先，我们发现，疫苗怎么打，真的很重要。那些接种过“灭活疫苗+重组蛋白或mRNA疫苗”组合方案的志愿者，抗体水平往往比只接种灭活疫苗的更高，而且更能中和病毒。换句话说，同样是打了疫苗，混搭一下更强，比只打一种疫苗的要“扛打”得多。

其次，我们还观察到，在多次感染后，免疫系统不是一成不变地重复过去的应答，而是在不断调整、更新自己的“识别档案”，逐渐适应与病毒的战斗。

更有意思的是，我们还观察到一个非常实际的趋势：抗体水平与未来感染风险之间，存在明确的“预警关系”。一旦抗体浓度低于某个阈值，该个体在接下来的六个月里就更容易“中招”。这个规律为精准健康管理和个体风险预测提供了切实可用的参考。

在众多志愿者中，我们还遇到了几位“骨骼清奇的高手”，他们血液中的抗体对多个变异毒株都能高效结合，并产生强力中和反应，堪称“常胜将军”。从科研的角度看，这样的人群特别有研究价值，因为他们体内的抗体或记忆B细胞，可能正是未来开发广谱抗体药物或疫苗的关键线索。换句话说，说不定以后抗病毒的“秘密武器”，就藏在他们当初留给我们的那一滴血里。

2. T细胞的能力

当然，抗体只是免疫系统的一部分。真正决定一个人能否长期保持免疫防护的，是T细胞的记忆能力。它们不像抗体那样第一时间出击，更像是训练有素的预备队，在身体再次遇到病原时，能快速响应，发动后续免疫攻势。

以结核病为例，它就是一类高度依赖T细胞免疫反应进行临床诊断的传染病。但传统的T细胞响应检测方法，比如干扰素释放试验（IGRA），需要抽3到5毫升静脉血、培养近一天，检测流程长、门槛也高，不太适合做现场筛查或大规模推广。所以我们就在TOI平台的基础上，把“微量血样”的思路进一步应用到了T细胞功能检测上。最终开发出了CM-IGRA（Consolidated Microscale Interferon-γ Release Assay）。

它延续了TOI的设计理念，只需少量血液里的少量T细胞，就可以判断特异性T细胞在遇到结核抗原刺激时，是否还能分泌干扰素γ——也就是测它们的“免疫细胞是否还记得结核抗原”。根据目前的测试结果，其与医院传统IGRA的一致率达到了98%。这套系统特别适合在流动人群密集、资源有限的基层地区使用。

目前我们已经开始尝试用真正的指尖血样本，来做多种病原的T细胞免疫分析，也取得了不错的早期结果。我们还发现T细胞免疫响应与抗体免疫响应存在着一定的互补性，希望能在今后的实验中得到更为明确的解释。

结语

目前，我们也正在拓展TOI与CM-IGRA的适应范围，比如尝试更方便、更稳定的指尖血保存方案，也比如探索如何利用一滴血，同时检测多种病原相关的抗体丰度、中和能力与T细胞响应能力。这一组合不仅适用于个体风险评估，还可为流行病学调查、群体免疫监测与疫苗接种策略的制定提供精准依据。

Theranos的崩塌，曾让“一滴血”成为科研圈讳莫如深的词汇。但让它失败的，不是这个概念本身，而是把没准备好的技术包装成包打天下的神话。如今，随着微流控、生物传感、合成生物学和人工智能等多项技术的交汇融合，我们终于有能力重新审视这滴血——并真正听懂它想传递的信息。

一滴血中包含的生物信息未必能有效诊断所有疾病，但经过我们看似“离经叛道”的尝试，我们证明了基于指尖血的免疫分析测试足以捕捉免疫系统的关键状态与功能。这不仅为传染病的精准防控带来了新的可能，也为疫苗评估、个体健康管理、重大疾病筛查等领域开辟了快速、便捷的解决路径。

这不是一场靠故事推动的幻想，而是一次以技术为根基的现实跃迁。“一滴血”不该是离谱骗局的代名词，它是科学可以抵达的目标。悄然之间，“未来”已来。

参考文献：

[1] Tan X, Chai Y, Li R, et al. 1 μL, 40min: Multimodal COVID-19 antibody protection evaluation with tip optofluidic immunoassay[J]. hLife, 2025.

[2] Zhang B, Xu Y, Huang Z, et al. Consolidated Microscale Interferon-γ Release Assay with Tip Optofluidic Immunoassay for Dynamic Parallel Diagnosis of Tuberculosis Infection[J]. Anal. Chem., 2025, 97 (5), 2863–2872.

[3] Lyu Y, Zhang B, Chai Y, et al. A Quantitative First Passage Time Model for Tubular Microfluidic Immunoassays[J]. ACS Sens., 2025, 10 (2), 1387–1397.

本文出品自“科学大院”公众号(kexuedayuan)

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