【新冠突破】30分钟不到1美元出结果，基因传感器突破新冠检测

基因测序可以解码一切以DNA为基础的生命特征事物，所以，当然可以包括解码新冠病毒。如下图，以上海核酸检测报告为例，如今全国广泛采用的方法即使用荧光PCR（Polychain Reaction）对新冠病毒做基因检测。耗时0.5-1天出检测结果。但随着delta病毒的爆发，其极高传染性（>10）为核酸检测的人力、物力和财力都带来了新一轮压力。

部分如今普遍核酸检测报告内容 来源：转化医学网工作人员

但COVID-19大流行带来的挑战更是加速刺激了多个方面的创新。其中一项便是开发低成本的临床诊断方法。基因传感器就是例子，它是一种生物传感器，基于核酸检测简单的互补DNA或RNA序列，它能对遗传物质进行及时并高敏感的大规模测试。近期，由圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所 (University of São Paulo's São Carlos Institute of Physics, IFSC-USP)的物理学家Osvaldo Novais de Oliveira Junior 教授领导的附属于各个机构的多学科研究团队获得突破，生产了被证明可有效检测SARS-CoV-2的设备：把阻抗分析仪与DNA基因传感器连接，可把检测新冠基因序列的时间缩短到30分钟。

近期，该团队在《Materials Chemistry Frontiers》期刊上，发表了他们的研究成果，研究论文名为“Detection of a SARS-CoV-2 sequence with genosensors using data analysis based on information visualization and machine learning techniques“。

论文网页截图

高效率，低成本

该研究的成果设备可把核酸检测的分析结果在 30 分钟内准备好，而每个基因传感器的实验成本不到1美元。阻抗分析仪的组件为耐用部分，其成本不到200美元。该设备已实现实验室使用规模，且该技术可转让给任何有能力批量生产的公司。

这个设备如何运作

显示杂交（hybridization）

“我们的基因传感器可以固定被用作捕获探针（capture probe）的简单DNA条。在适当条件下，这个固定条与待分析液体样本中的互补DNA条结合。这个过程称为杂交，它证明了唾液或其他体液样本中SARS-CoV-2的存在，”该研究论文第一作者、化学家Juliana Coatrini Soares说。

该设备包括自组装的单层11-巯基十一烷酸 (11-mercaptoundecanoic acid, 11-MUA)，其单层化学键合到含有微米级金导线或含有金纳米粒子表面的玻璃电极上。这种环境能稳定固定用作捕获探针的简单DNA或RNA条，它与互补条的杂交（如果存在于样品中），通过由电阻抗或电化阻抗谱和局部表面等离子体共振检测到的物理参数的变化来显示。

“杂交后，传感器表面的电阻会增加，这可以通过由我们实验室的工程师Lorenzo Buscaglia开发的成本约为100美元的低成本阻抗分析仪监测到。捕获序列和互补SARS-CoV-2序列之间杂交的另一个效果是导致辐射频谱（transmitted spectrum）中吸收峰的移动变化，这可以通过分光光度计（spectrophotometer）的局部表面等离子体共振进行监测，“参与该研究的IFSC-USP研究员、化学家Paulo Augusto Raymundo-Pereira说。

机器学习与高敏感度

研究中达到的最高敏感度相当于每微升0.3拷贝，这足以检测唾液或其他体液中的DNA序列。而通过应用在接触各种不同浓度的互补DNA序列的基因感应器而获得的扫描电子显微镜图像而进行的机器学习里，互补SARS-CoV-2序列也被诊断出了。

“通过将机器学习算法应用于图像处理，我们能够高度精准地区分不同浓度的互补SARS-CoV-2 DNA序列，”Raymundo-Pereira 说。

在检测实验中，基因传感器的敏感度在对照样本中被验证，对照样本包括SARS-CoV-2和其他与病毒无关的DNA生物标志物的阴性序列。通过多维投影技术获得的数据分析表明（其技术称为交互式文档映射 (interactive document mapping, IDMAP)），不同浓度的互补DNA序列与对照阴性样本（即包含非互补序列的样本或其他与SARS-CoV-2无关的DNA生物标志物样本）之间，存在明显区别。

因地制宜的多样性

“使用多种检测方法的优点是操作模式也能多面通用化，因此可以根据每个国家或像巴西这样的大陆国家的不同地区的实际情况实施诊断方法。我们的基因传感器对检测SARS-CoV-2新型变体的基因物质，是很有前景的。为此，如果该变体的基因序列已知，您只需更换，使用捕获探针的简单DNA条带即可，”Oliveira Junior 解释道。

多学科合作

开发该设备的多学科团队包括圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所 (IFSC-USP)、圣卡洛斯化学研究所 (IQSC-USP)、数学科学与计算研究所 (ICMC-USP)、巴西农业研究公司 (EMBRAPA) 的仪器部门，以及位于Curitiba, Paraná州的 Pelé Pequeno Príncipe研究所。

原文链接：

1.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/QM/D1QM00665G

2.https://medicalxpress.com/news/2021-08-biosensor-ultra-fast-cheap-sars-cov-.html

原文参考：

Juliana Coatrini Soares et al, Detection of a SARS-CoV-2 sequence with genosensors using data analysis based on information visualization and machine learning techniques, Materials Chemistry Frontiers (2021). DOI: 10.1039/D1QM00665G

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。