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浙江大學(xué):水凝膠調(diào)制無(wú)線(xiàn)免疫傳感器,診斷呼吸道疾病

更新時(shí)間:2025-03-16   點(diǎn)擊次數(shù):83次

傳染性呼吸道病毒的季節(jié)性爆發(fā),會(huì)給公共衛(wèi)生保健帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。因此,開(kāi)發(fā)快速、準(zhǔn)確、低成本的工具來(lái)診斷是否感染傳染性呼吸道病毒,一直是疫情防控的優(yōu)先事項(xiàng)之一。而水凝膠作為一種制作簡(jiǎn)單、成本低廉的材料,在該領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。


為了實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒氣溶膠快速、靈敏的免疫傳感,浙江大學(xué)劉清君教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了一種免疫應(yīng)答水凝膠調(diào)制諧振(ImmHR)傳感器。該傳感器所用的免疫應(yīng)答水凝膠,主體為聚丙烯酰胺(AAm)網(wǎng)絡(luò)和抗體修飾的金納米顆粒(AuNPs-Ab)。作者以SARS-CoV-2、甲型H1N1流感和RSV三種病毒為例,驗(yàn)證了該器件的高靈敏度和準(zhǔn)確性,為傳染性呼吸系統(tǒng)疾病的生物傳感和診斷提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和通用的平臺(tái)。


【無(wú)線(xiàn)免疫分析技術(shù)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理】

作者研發(fā)的無(wú)線(xiàn)免疫分析平臺(tái)由ImmHR傳感器和射頻讀出線(xiàn)圈組成。為了檢測(cè)來(lái)自呼吸道的各種樣本(唾液、氣溶膠等),傳感器將免疫應(yīng)答水凝膠和一對(duì)射頻諧振器耦合在一起,形成在免疫反應(yīng)時(shí)可調(diào)諧的諧振結(jié)構(gòu),將目標(biāo)抗原的刺激反應(yīng)轉(zhuǎn)化為諧振頻率的變化。此外,競(jìng)爭(zhēng)性抗原結(jié)合進(jìn)一步導(dǎo)致AuNPs聚集,使得藍(lán)色水凝膠逐漸褪色,從而適配于比色測(cè)定。

【水凝膠形成及成分優(yōu)化】

作者以SARS-CoV-2核衣殼蛋白(NP)和相應(yīng)抗體為模型抗原和抗體制備免疫應(yīng)答水凝膠。由于免疫交聯(lián)的破壞,病毒抗原和AuNPs-Ab之間進(jìn)一步的競(jìng)爭(zhēng)性免疫結(jié)合引發(fā)了強(qiáng)烈的水凝膠膨脹。另外,水凝膠對(duì)病毒抗原的比色測(cè)定,在5~10分鐘內(nèi)就可以測(cè)量到明顯的顏色信號(hào)。同時(shí),作者使用級(jí)霧化器產(chǎn)生<5 μm氣溶膠顆粒,模擬類(lèi)似于人類(lèi)自然呼吸產(chǎn)生的氣溶膠顆粒,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合溶液和氣溶膠兩種環(huán)境的傳感曲線(xiàn)。

【ImmHR傳感器無(wú)線(xiàn)氣溶膠探測(cè)】

由于水凝膠介電層的厚度可對(duì)諧振頻率偏移(ΔFres)進(jìn)行調(diào)制,研究進(jìn)一步通過(guò)中介線(xiàn)圈(IR)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與讀出線(xiàn)圈之間的耦合,從而降低讀出線(xiàn)圈相對(duì)位移對(duì)結(jié)果的影響。通過(guò)擬合傳感器對(duì)梯度濃度的病毒抗原蛋白氣溶膠的響應(yīng),計(jì)算得到的傳感器檢測(cè)限低fg/L乃至亞fg/L,從而實(shí)現(xiàn)了超靈敏的病毒氣溶膠檢測(cè)。此外,ImmHR傳感器還能兼容溫度響應(yīng)水凝膠構(gòu)建物理傳感器,從而對(duì)呼出氣溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

【可穿戴集成和多路讀出】

ImmHR傳感器具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、無(wú)線(xiàn)和無(wú)電池配置等優(yōu)點(diǎn)。因此,微型化和輕量化的ImmHR傳感器陣列可以固定在并聯(lián)的中介線(xiàn)圈上,并粘附在口罩表面,用于可穿戴式氣溶膠檢測(cè)。這種可穿戴傳感器的配置與共享探測(cè)器(連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的讀取線(xiàn)圈)無(wú)線(xiàn)耦合,可廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)免疫診斷,例如在進(jìn)入工作場(chǎng)所的大門(mén)等位置進(jìn)行社區(qū)感染監(jiān)測(cè)。

【通過(guò)無(wú)線(xiàn)免疫分析法進(jìn)行臨床樣品檢測(cè)】

為了評(píng)估基于ImmHR的無(wú)線(xiàn)免疫測(cè)定技術(shù)用于臨床樣本檢測(cè)的可行性,作者收集了40名患者和20名健康志愿者的和唾液樣本。統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步證明傳感器對(duì)H1N1陽(yáng)性樣本與陰性樣本產(chǎn)生的信號(hào)具有顯著差異,證明了該方法診斷病毒感染的潛力。與最近報(bào)道的快速和敏感免疫測(cè)定法的進(jìn)展相比,基于ImmHR傳感器的無(wú)線(xiàn)免疫分析具有快速檢測(cè),靈敏度高,設(shè)備配置方便,兼容可穿戴集成等優(yōu)點(diǎn)。

總結(jié):作者展示了一種無(wú)線(xiàn)免疫分析技術(shù),通過(guò)替換抗原/抗體識(shí)別元件來(lái)檢測(cè)氣溶膠中的SARS-CoV-2、H1N1和RSV病毒抗原,這些識(shí)別元件的響應(yīng)時(shí)間均控制在10分鐘左右。因此,無(wú)線(xiàn)免疫測(cè)定技術(shù)不僅可以作為一個(gè)多功能的免疫傳感平臺(tái)來(lái)捕獲和量化病毒蛋白生物標(biāo)志物,而且還可以檢測(cè)各種生物體液中其他重要但低豐度的蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物(汗液中的炎癥生物標(biāo)志物,傷口滲出液或間質(zhì)液中的細(xì)胞因子,和血漿中的外泌體等)。此外,從豐富的聚合物和生物識(shí)別元件(適配體,DNA,或CRISPR工具)中尋找材料對(duì)生物反應(yīng)性水凝膠進(jìn)行關(guān)鍵調(diào)整,也可以包括可檢測(cè)分析物中的代謝物和核酸。此外,將不同類(lèi)型的生物識(shí)別元素組合在一組ImmHR傳感器內(nèi),或在一個(gè)傳感器內(nèi)合理地空間分布,有望大大提高生物標(biāo)志物檢測(cè)和疾病診斷(傳染病和癌癥等)的準(zhǔn)確性。


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