作者:亚利桑那州立大学理查德·哈特
该图片突出了Nano2RED的关键特征，nano2r ed是一种由王教授和他的同事发明的创新诊断方法
顶部说明了测试步骤的快速时间表，这些步骤都可以在大约20天内完成
图形的中间部分显示了所涉及的基本步骤
首先，产生合成抗体或纳米体的大文库，并针对已知抗原进行筛选(左)，接下来，纳米体附着在金纳米颗粒上(中)，最后，当金纳米颗粒结合的纳米体与其融合时，在样品中检测到疾病抗原，产生阳性检测结果(右)
信用:王实验室 近年来，包括埃博拉病毒和新冠肺炎病毒在内的致命传染病已经出现，造成了广泛的人类破坏
尽管研究人员已经开发了一系列复杂的方法来检测这种感染，但现有的诊断方法面临许多限制
在一项新的研究中，亚利桑那州立大学生物设计研究所和电气、计算机和能源工程学院的研究员汪超，以及华府大学(UW)的ASU同事和合作者描述了一种检测埃博拉病毒(EBOV)和SARS CoV-2等病毒的新方法
这项技术被称为Nano2RED，是对传统高精度测试的巧妙改进，它依赖于复杂的测试协议和昂贵的读出系统
溶液中的纳米传感器(名称中的“纳米2”)通过简单的混合来检测样品中的疾病抗原
在Wang实验室开发的创新快速电子读出过程(“RED”)提供了测试结果，这些结果可以通过样品溶液中的颜色变化来检测，并通过廉价的半导体元件(如发光二极管和光电探测器)记录数据
这项技术代表了对抗传染病的一项重大进步
它可以以非常低的成本开发和生产，在疫情爆发后的几周或几天内部署，并可用于大约1%的测试
与广泛使用的高精度实验室测试(如酶联免疫吸附试验)相比，Nano2RED更易于使用
它不需要表面培养或洗涤、染料标记或扩增，但仍能提供比ELISA高约10倍的灵敏度
此外，半导体器件的使用支持高度便携的数字读出系统，该系统可以低至几美元的成本进行开发和生产，不仅非常适合实验室使用，也非常适合诊所、家庭使用以及偏远或资源紧张的地方
这种方法基于模块化设计，有可能用于检测任何病原体
王教授说:“这项技术之所以有效，不是因为它复杂，而是因为它简单。”
“另一个独特的特点是生物传感的多学科性质
对生物化学、流体学和光电子学的基本理解帮助我们想出了这么简单的东西
" 王是亚利桑那州立大学分子设计和仿生生物设计中心的研究员
他还是华硕电气、计算机和能源工程学院的研究员；和光子创新中心
博士；医生
顾是西雅图生物化学系和蛋白质设计研究所的合作者
这项研究发表在最新一期的《生物传感器和生物电子学》杂志上
博士；医生
来自亚利桑那州立大学的·陈和医学博士阿希夫·伊克巴尔
第一作者为首开康，其他作者为左佳伟、潘雨欣
测试瓶颈 流行病学家早就知道应对疾病爆发的基本公式
为了识别病例并阻止传染，有必要开发一种能够识别疾病的准确测试或化验方法，然后尽早并经常进行测试，以评估传播速度并尝试隔离感染者
不幸的是，当一种新的诊断方法被开发、制造和分发时，疾病的爆发往往已经很普遍，并且很难控制
此外，精确的测试，包括聚合酶链反应(可以将微小水平的致病核酸扩增到可测量的水平)，通常是昂贵的、劳动密集型的，并且需要复杂的实验室设施
2014年至2016年的埃博拉疫情虽然主要局限于西非，但传播速度惊人，造成恐慌，超过1.1万人死亡
这种病毒的致死率是所有已知病原体中最高的，根据疾病种类，致死率可超过90%
监测系统不足和公共卫生基础设施差的综合作用加剧了危机
SARS CoV-2虽然不如埃博拉病毒致命，但已经蔓延到地球上的每个国家，已经造成5人以上死亡
全球600万人
在这两次疾病爆发中，诊断测试到达现场都较晚
此外，昂贵且繁琐的测试要求意味着管理的测试太少，即使在成功开发之后也是如此
这项新的研究应用其创新的方法来测试这两种突出的疾病，作为概念的证明
浪潮 许多疾病爆发的一个共同特征是，最初感染少数人的病原体会以闪电般的速度聚集势头，向四面八方扩散，并迅速淹没医院和医疗保健提供者
切断病原体的传播途径需要通过测试尽快识别和隔离患病个体
在像新冠肺炎这样的疫情，给定诊断测试的灵敏度仅次于测试频率和结果处理时间
如果一个高度敏感的测试只能进行一次，那么它的用处就有限了，而且结果需要长达数周的周转时间
研究表明，当检测间隔少于3天并大规模重复时，感染爆发得到最好的控制
要让社会为当前和未来的传染病爆发做好充分准备，就需要更快、更便宜、更准确和更容易使用的诊断方法
密切关系 这项新技术可以识别分泌型糖蛋白(sGP)，这是埃博拉病毒疾病和新型冠状病毒刺突蛋白受体结合域(RBD)的特征
这项技术的精确度很高，可与长期以来公认的诊断检测金标准技术ELISA相媲美
这种被称为免疫测定法的诊断的基本思想很简单:将血液(或其他生物液体)样本应用于用抗体装饰的测定
当抗体识别出样本中存在相应的疾病抗原时，它们会与之结合，产生阳性检测结果
在酶联免疫吸附试验中，疾病抗原需要固定在平坦的表面上
Nano2RED也依赖于结合亲和力进行阳性诊断，但使用漂浮的金纳米颗粒进行读出
与酶联免疫吸附试验不同，Nano2RED可以在大约10天内从头开始开发，理论上适用于任何病原体，在疾病爆发时提供至关重要的早期监测
它可以在15-20分钟内提供测试结果，每次测试的费用估计为1便士
在目前的研究中，新的检测方法被证明可以检测血清中的埃博拉病毒sGP，其灵敏度比酶联免疫吸附试验大约高10倍
感觉到危险 在这种方法中，第一步是产生一个包含超过10亿个随机氨基酸序列的非常大的文库，称为纳米体，它可以作为合成抗体，能够与目标疾病抗原结合
这个巨大的纳米体文库随后被连续筛选以对抗所讨论的抗原，例如埃博拉病例中的sGP
只有那些对抗原显示出强结合亲和力的纳米体才用于传感
接下来，选定的纳米体被固定到金纳米粒子上，金纳米粒子将作为探针来识别血液样本中存在的抗原并与之结合
在这项研究中，选择了一对两个高亲和力的纳米体，并将其附着在金纳米粒子上
这种方法提高了检测的灵敏度和特异性
Nano2RED的关键创新在于抗原检测的注册方式
当样本中的疾病抗原被纳米体识别时，它们结合在一起，形成结合的纳米体和抗原的簇，就像漂浮在海面上的海藻岛
“基本上，一种抗原就像强力胶一样将纳米粒子聚集在一起，”王说
抗击传染病的“黄金”机会 金纳米粒子提供了一个稳定的平台来固定纳米物体
一旦发生足够的结合，结合的团簇开始下沉到容器的底部
这可以用肉眼以颜色变化的形式检测到
随着金纳米粒子携带的抗原抗体簇沉淀出来，溶液的颜色变浅，发出检测病原体的信号
虽然导致测试结果的纳米粒子簇的完全沉淀通常需要几个小时，但是可以通过离心样品来加速该过程，这消除了沉淀的等待时间
在这种情况下，仅仅15-20分钟就足以得到结果
“当然，金纳米颗粒很重，这也有助于快速沉淀
”王接着说道
金纳米粒子也通过吸收窄光谱范围的光来显示颜色，不是黄色而是红色
这种吸收特性使得王实验室发明了一种小型廉价的设备，利用颜色匹配的半导体发光二极管和光电探测器将这种颜色变化转换成电信号
这种仪器能够快速准确地读出化验结果，其检测极限与昂贵的实验室光谱学方法相当或更好
该测试还根据检测到的抗原量提供定量结果
这对于估计疾病严重程度以及自感染事件以来所经历的时间非常有用
将来，测试结果可以通过电路数字化，并方便地通过互联网传输到世界上任何地方，用于数据分析和进一步检查，这对政府决策过程和及时中断传输可能很重要
Nano2RED只需要很小的血液样本，通常在20微升左右
王说:“这也使得我们的黄金价格不贵，因为我们需要的坐骑非常小。”
与传统方法不同的是，Nano2RED使用起来非常简单，只需要对医护人员进行最少的培训
它不需要任何耗时且昂贵的培养、洗涤、荧光标记或扩增
未来的研究将有助于进一步提高该分析的检测极限，并修改其检测能力，以包括病毒颗粒、细胞外小泡、小分子和核酸
“当然还有很多东西需要探索，”王补充道，“但我们到目前为止在工程学科和生物学之间有一段幸福的婚姻。”
这是我们将继续努力的方向
"
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