Nat Biotech | 口罩诊断仪：基于合成生物学的传感器检测新冠

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一组研究人员将合成生物反应嵌入织物中，制造出可穿戴的生物传感器，可定制用于检测病原体和毒素。Wyss生物启发工程研究所的团队已将该技术集成到标准口罩中，以检测患者呼吸中是否存在SARS-CoV-2病毒。按钮激活的口罩在90分钟内给出的结果准确度相当于聚合酶链反应（PCR）等基于标准核酸的诊断测试。

这项研究发表在《Nature Biotechnology》上的一篇题为“Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection”的论文中。




“我们基本上将整个诊断实验室缩小为一个小型的、基于合成生物学的传感器，可以与任何口罩配合使用，并将 PCR 检测的高精度与抗原测试的速度和低成本结合起来。”共同第一作者、Wyss研究所的研究科学家Peter Nguyen博士说，“除了面罩之外，我们的可编程生物传感器还可以集成到其它服装中，以提供对危险物质（包括病毒、细菌、毒素和化学制剂）的即时检测。”




SARS-CoV-2生物传感器是基于先前由麻省理工学院教授、Wyss研究所创始成员Jim Collins博士开发的技术，称为可穿戴冻干无细胞（wFDCF）技术。该团队在2015年寨卡病毒爆发期间首次应用于诊断，他们制造了能够检测病原体衍生的RNA分子的生物传感器，将它们与荧光指示蛋白结合，并将基因电路嵌入纸张中，以创建一种廉价、准确、便携式的诊断方法。在成功将生物传感器嵌入纸张后，他们将目光投向了可穿戴设备。




“我们想为全球抗击病毒的努力做出贡献，我们提出了将wFDCF集成到口罩中以检测SARS-CoV-2的想法。从2020年5月开始，整个项目在隔离或严格的社会隔离条件下完成。我们努力工作，有时将非生物设备带回家，并手动组装设备。”共同第一作者、Wyss研究所博士后Luis Soenksen博士说，“这显然不同于我们通常使用的实验室基础设施，但我们所做的一切都有助于我们确保传感器在现实世界的大流行条件下工作。”




最终产品由三个不同的冻干生物反应组成，它们依次被激活。第一个反应是切开SARS-CoV-2病毒的膜以暴露其RNA。第二个反应是一个扩增步骤，它从病毒RNA中生成Spike编码基因的双链拷贝。最后的反应使用基于CRISPR的SHERLOCK技术来检测任何Spike基因片段，并将探针分子切割成两个较小的片段，然后通过横向流动分析条进行报告。是否有任何可切割的 Spike 片段取决于患者呼吸中是否有 SARS-CoV-2。这种差异反映在设备读数部分出现的简单线条图案的变化上，类似于家庭妊娠测试。

wFDCF口罩是首个SARS-CoV-2核酸检测，其准确率可与当前的金标准RT-PCR检测相媲美，同时在室温下完全操作，无需加热或冷却仪器，并允许在实验室外快速筛查患者样本。

“这项工作表明，我们的冻干、无细胞合成生物学技术可以扩展到可穿戴设备，并用于新的诊断应用，包括开发口罩诊断仪。我感到特别自豪的是，我们的团队在流感大流行期间走到了一起，为应对世界上的一些测试挑战创造了可部署的解决方案。”Collins说。

研究人员在论文中证明，他们的wFCDF技术可以将光缆网络集成到他们的wFCDF技术中，以检测生物反应产生的荧光，从而以高精度检测目标分子。这种数字信号可以发送到智能手机应用程序，让佩戴者能够监测他们接触大量物质的情况。

Wyss研究所的科学家、合著者Nina Donghia说：“这项技术可以被用于科学家处理有害物质或病原体的实验服，医生和护士的擦洗服，或者可能接触到危险病原体或毒素（如神经毒气）的急救人员和军人的制服。”

该团队正在积极寻找有兴趣帮助大规模生产用于COVID-19大流行期间的口罩诊断工具以及检测其它生物和环境危害的制造合作伙伴。

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