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可检测10毫升血浆中的单个病毒！新型传感器让HIV病毒无处遁形

已有 4926 次阅读 2017-3-2 09:53 |系统分类:海外观察|关键词:学者| 病毒, 纳米技术, HIV, 生物传感器, 医学检测

近日，来自西班牙国家研究中心（Spanish National Research Council，CSIC）的团队开发了一款能够在感染后一周内检测1型艾滋病毒HIV的新型生物传感器技术。该实验在人体血清中开展，检测目标是p24抗原，即一种存在于HIV-1病毒上的蛋白。这项新技术，已获得了专利，检测p24蛋白的能力比现行方法强10万倍。另外，总检测时间只需4小时45分钟 - 这意味着临床测试的结果可以在当天获得。

目前,HIV感染之后的早期检测是阻止疾病快速传播和提高抗逆转录病毒治疗效果的最佳方式。基于核酸扩增的检测技术（Nucleic acid amplification tests，NAAT）已成为检测血液中低浓度病毒的金标方法。但是，这些方法需要较高的实验技术和较大的成本，限制了在发展中国家的普及。相对而言，基于免疫的分析方法成本低，也更加适用于即时诊断（point-of-care diagnosis，POCT）的需求。然而，它们的检测灵敏度往往过低。

而本研究就创新性地开发了基于纳米机械臂和光机械传导的三明治免疫传感器，通过两个简单步骤即可特异性检测人类血清样本中的p24抗原，检测限可达10−5 pg/mL，这相当于可以检测到10毫升血浆中的单个病毒，检测能力比现行免疫法提高了5个数量级（十万倍），比NAAT方法提高了2个数量级。

该研究的技术可以追溯到2014年，该团队在《Nature Nanotechnology》上发表题为“Detection of cancer biomarkers in serum using a hybrid mechanical and optoplasmonic nanosensor”的文章，系统阐述了这种结合纳米机械臂和光学等离子效果的双传感机制。限于篇幅本文不再赘述，感兴趣的读者可以详细参考该文章：

那么，这种先进的生物传感器是如何工作的呢？如图1 所示，该传感器同时采用了微纳机械硅结构（微纳悬臂梁技术）和金纳米颗粒。首先，微纳悬臂梁和纳米金都特异性地修饰上p24抗体。随后，经过一定的免疫反应步骤，p24、微纳悬臂梁、纳米金形成三明治结构。金纳米颗粒具有光学等离子共振效应，能够很有效地散射光线，已成为近十年来最引人关注的纳米材料之一。微纳悬臂梁，又称微纳机械臂，是出色的微米甚至纳米维度的机械传感器，他们具有检测分子间作用力的能力。这两种技术的结合的传感器，既可产生机械信号，又可产生光学信号，相互之间相互放大，显著增强了传感器的灵敏度。
图1 p24抗原三明治免疫传感器的检测机理示意图

图1中，悬臂梁的上表面修饰了1型HIV病毒p24抗原的特异性抗体。悬臂梁的下表面修饰了一层“保护层”，可将非特异性吸附最小化。检测时，将悬臂梁浸入人体血清样本中并经过简短的孵育，使得抗体去捕获p24抗原至悬臂梁表面。然后用缓冲液清洗被测物，再加入标记有检测抗体的纳米金标溶液（直径为100 nm），即可进行光学和机械性能的检测。
图2 硅基悬臂梁的扫描电镜图

图2展示了该传感器的悬臂梁的扫描电镜图。从图中清晰可见悬臂往外伸出，有序排列。
图3 对免疫复合物的纳米机械传导和光学等离子传导示意图

图3（a）表明通过检测光路的偏转，从而间接检测微悬臂梁的振动的方法。一束激光聚焦在悬臂梁的自由末端。位于悬臂梁下方的压电制动器驱动着悬臂梁。光束由于悬臂梁的振动而发生偏转（反射），而这样的偏转信号最终由灵敏的位置探测器记录。（b）硅基悬臂梁在三个振动模块下，免疫反应前（虚线）后（实线），含目标物浓度5*10-4 pg/mL的血清样本和不含任何目标物的血清样本（空白对照）的振动频谱图。（c）示意图展示了结合到悬臂梁表面的金纳米颗粒对于光散射的多种途径。（d）（b）中免疫反应后，微悬臂梁的暗场光学分析图像，及其局部方法图像。
图4 对不同浓度的血清样本进行检测结果图

图4是本研究对不同目标物浓度的血清样本进行光学检测和悬臂梁机械检测的结果图。上图是前文中三种振动模式下，从微悬臂梁振动频率的变化而得到的质量的变化（增加的质量）。下图是免疫反应后，从暗场光学图像分析得到的光学散射信号。图中大的圆点和实线表示每个浓度下目标物的平均值和标准偏差，虚线代表空白检出限。
图5 检测性能分析比较图

图5（a）是在95%置信区间下，光学信号和纳米机械信号超出空白检出限的可能性大小，由此可以评估该传感器的最低检测限，也即10-17 g/mL。（b）是对感染HIV病毒后五周内的病毒携带量检测结果。本文的光机械传感器法（optomechanoplasmonic method，OMP）、核酸扩增法（nucleic acid amplification testing methods，NAAT）以及第四代免疫分析法（the fourth-generation immunoassays，4th G EIA）的检测限的比较。由此可见，本研究的方法检测能力比免疫法提高了5个数量级，比NAAT方法提高了2个数量级。

本研究给HIV检测技术带来了深远的意义。它结合两种前沿的分析技术，在已有技术基础上，将艾滋病检测的检测限提高了多个数量级，实现了超灵敏的分析。而且，本技术具有成本低，操作简便，利于制作小型化检测设备等其它优势。由于HIV病毒的早期感染性比后期的高很多，因此这项可以实现超灵敏早期诊断艾滋病的研究，可缩短艾滋病感染后的发现周期至一周内，从而也对提高对艾滋病治疗的效果以及阻止艾滋病的扩散都至关重要。

目前，CSIC的这项专利技术也被用于癌症的早期检测。位于马德里微电子研究所的CSIC研究人员Javier Tamayo表示，“不管是检测HIV还是癌症生物标记物，该传感器的物理元件部分是不变的。而变化的是它的化学部分—即我们所添加的溶液不同，反应基于我们所需要寻找的对象。因此，我们的基本工作集中在开拓这项新技术的应用范围。” 他还表示，该生物传感器用到的结构是很成熟的微电子技术生产的，这使得大批量制备和降低生产成本成为了可能。再加上其简便性，因此在发展中国家会有较大市场。

参考资料：

Priscila M. Kosaka, Valerio Pini, Montserrat Calleja and Javier Tamayo. Ultrasensitive detection of HIV-1 p24 antigen by a hybrid nanomechanical-optoplasmonic platform with potential for detecting HIV-1 at first week after infection. PLOS ONE.

Kosaka, P. M.; Pini, V.; Ruz, J.; Da Silva, R.; González, M.; Ramos, D.; Calleja, M.; Tamayo, J., Detection of cancer biomarkers in serum using a hybrid mechanical and optoplasmonic nanosensor. Nature Nanotechnology 2014, 9 (12), 1047-1053.

（未止科技保留著作权，原文：HIV病毒检测新技术）




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