新的生物传感器可以在5分钟内检测到空气中的禽流感

拉詹·查克拉巴蒂实验室的研究人员创造了第一种病原体传感器。

　　

随着高致病性H5N1禽流感在美国持续传播，对奶牛场和家禽场构成严重威胁，农民和公共卫生专家需要更好的方法来实时监测感染情况，以便减轻和应对疫情暴发。华盛顿大学圣路易斯分校的研究成果为此提供了一种监测H5N1气溶胶颗粒的方法，该成果发表在《ACS Sensors》杂志关于“呼吸感应”的特刊上。

华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源、环境与化学工程系教授拉詹·查克拉巴蒂（Rajan Chakrabarty）的实验室研究人员开发了一种禽流感传感器，利用电化学电容生物传感器提高了病毒和细菌检测的速度和灵敏度。

这项工作至关重要，因为禽流感在过去一年中发生了危险的变异，能够通过空气中的颗粒传播给哺乳动物，包括人类。该病毒已被证实对猫致命，并且至少有一例人类因H5N1死亡。

“这种生物传感器是同类产品中的第一个，”查克拉巴蒂说，他提到这种技术用于检测空气中的病毒和细菌颗粒。科学家们以前不得不使用速度较慢的聚合酶链式反应（PCR）DNA工具进行检测。

查克拉巴蒂指出，传统检测方法需要超过10小时，“太长了，无法阻止疫情暴发。”

这种新型生物传感器的检测时间仅需5分钟，能够保存微生物样本以便进一步分析，并提供农场检测到的病原体浓度范围。这使得人们能够立即采取行动，查克拉巴蒂说。

在防止病毒暴发方面，时间至关重要。当实验室开始这项研究时，H5N1仅通过接触感染的鸟类传播。

“随着这篇论文的撰写，病毒也在变异，”查克拉巴蒂说。

美国通过美国农业部动植物卫生检验局（APHIS）追踪农场的动物健康和病原体暴发情况，该局最近报告称，在过去30天内，四个州至少有35起奶牛感染H5N1的新病例，主要在加利福尼亚州。

“这次的毒株非常不同，”查克拉巴蒂说。

如果农民怀疑动物生病，他们可以将动物送到州农业部门实验室进行检测。然而，这一过程很慢，而且由于H5N1在禽类和奶牛场的传播，检测积压的情况可能会进一步延迟。缓解措施包括生物安全措施，如隔离动物、对设施和设备进行消毒，以及限制动物接触的保护性控制措施，包括大规模扑杀。美国农业部最近还发放了一种禽流感疫苗的有条件许可证，这可能会为渴望降低鸡蛋价格的家禽农民提供进一步的缓解。

查克拉巴蒂已准备好将这种生物传感器推向世界，并指出它已被设计为便携式且适合大规模生产。

工作原理

这种一体化病原体采样-感应单元的大小与桌面打印机相当，可以放置在农场鸡舍或牛舍的通风排气口附近。该单元是一个跨学科的工程杰作，包含一个“湿式旋风生物气溶胶采样器”，最初是为采样SARS-CoV-2气溶胶而开发的。病原体携带的空气以很高的速度进入采样器，并与采样器壁上的液体混合，形成表面涡流，从而捕获病毒气溶胶。该单元有一个自动泵送系统，每5分钟将采样液体送至生物传感器进行无缝病毒检测。

查克拉巴蒂的高级员工科学家孟武（Meng Wu）和研究生乔辛·库马尔（Joshin Kumar）承担了优化电化学生物传感器表面的任务，以提高其对病毒的检测灵敏度和稳定性，即使在空气中病毒含量极低（每立方米空气少于100个病毒RNA拷贝）的情况下也能检测到。

生物传感器使用称为核酸适配体的“捕获探针”，这些是单链DNA，能够与病毒蛋白结合并标记它们。团队面临的最大挑战是如何让这些核酸适配体与裸碳电极的2毫米表面配合，以检测病原体。

经过数月的反复试验，团队找到了用氧化石墨烯和普鲁士蓝纳米晶体修饰碳表面的正确配方，以提高生物传感器的灵敏度和稳定性。最后一步是通过交联剂戊二醛将修饰后的电极表面与核酸适配体连接起来，徐（Xu）和库马尔称这是使裸碳电极表面能够检测H5N1的“秘诀”。

他们补充说，团队的检测技术的一个大优势是非破坏性的。在检测病毒存在后，样本可以保存下来，供后续使用传统技术（如PCR）进行进一步分析。

这种一体化病原体采样-感应单元可以自动运行——使用它不需要具备生化专业知识。它由价格低廉且易于大规模生产的材料制成。生物传感器可以提供空气中H5N1的浓度范围，并实时提醒操作人员疾病暴发的峰值。徐说，了解这些水平可以作为设施中“威胁”的一般指标，并让操作人员知道病原体平衡是否达到了危险水平。

能够提供病毒浓度范围是传感器技术的另一个“首次”。

最重要的是，它有可能扩展到在一台设备中检测许多其他危险病原体。

“这种生物传感器目前针对H5N1，但它可以被改编以检测其他流感病毒株（例如H1N1）、SARS-CoV-2以及气溶胶中的细菌（如大肠杆菌和假单胞菌），”查克拉巴蒂说，“我们已经在论文中展示了我们生物传感器的这些能力，并报告了研究结果。”

该团队正在努力将生物传感器商业化。圣路易斯生物技术公司Varro Life Sciences在生物传感器的设计阶段与研究团队进行了咨询，以促进其未来的商业化。

（莱娅·沙弗尔（Leah Shaffer）撰稿）