微小的磁珠产生一种光信号，可用于快速检测病原体

工程师们在一种被广泛使用的磁性“dynabead”中发现了一种光学特征，这种特征可以用来快速检测食物、水或人体中的污染物。

　　

现在，麻省理工学院的工程师们已经在一种广泛使用的磁珠中发现了一种新的光学特征，它可以在各种诊断测试中用于快速检测污染物。例如，研究小组展示了这种特征可以用来检测食品污染物沙门氏菌的迹象。

所谓的Dynabeads是一种微小的磁珠，可以涂上与目标分子(如特定病原体)结合的抗体。dynabead通常用于将其混合到溶液中以捕获感兴趣的分子的实验中。但在此基础上，科学家们必须采取额外的、耗时的步骤来确认这些分子确实存在并与珠子结合在一起。

麻省理工学院的研究小组发现了一种更快的方法来确认dynabhead结合病原体的存在，使用光学，特别是拉曼光谱。这种光学技术根据分子的“拉曼特征”或分子散射光的独特方式来识别特定分子。

研究人员发现，dynabead具有异常强烈的拉曼特征，很容易被检测到，就像荧光标签一样。他们发现，这个签名可以扮演“记者”的角色。如果检测到，该信号可以在不到一小时的时间内快速确认目标病原体确实存在于给定样本中。该团队目前正在开发一种便携式设备，用于快速检测一系列细菌病原体，并在今天的《拉曼光谱学杂志》特刊上报道了他们的研究结果。

“这项技术在医生试图缩小感染来源以便更好地告知抗生素处方以及检测食物和水中已知病原体的情况下是有用的，”研究合著者玛丽莎麦克唐纳说，她是哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生。此外，我们希望这种方法最终能够在资源有限的环境中扩大先进诊断的使用范围。”

麻省理工学院的研究合著者包括博士后助理Jongwan Lee;访问学者Nikiwe Mhlanga;研究人员:全雄康;塔塔大学教授罗希特·卡尼克(Rohit Karnik)，他也是Abdul Latif Jameel水和食品系统实验室的副主任;以及机械工程系助理教授Loza Tadesse。

油和水

在液体样本中寻找患病细胞和病原体是一种耐心的锻炼。

“这有点像大海捞针的问题”。

它们的数量太少了，必须在受控的环境中培养到足够的数量，并对其培养物进行染色，然后在显微镜下进行研究。整个过程可能需要几天到一周的时间才能得出肯定的阳性或阴性结果。

卡尼克和塔德塞的实验室都在独立开发技术，以加快病原体检测过程的各个部分，并使用dynabheads使该过程易于携带。

dynabead是一种市售的微型珠子，由磁性铁芯和可以涂有抗体的聚合物外壳制成。表面抗体像钩子一样结合特定的靶分子。当与液体混合时，例如小瓶的血液或水，任何存在的分子都会聚集到dynabheads上。利用磁铁，科学家们可以轻轻地将这些珠子引导到小瓶的底部，并将它们从溶液中过滤出来。卡尼克的实验室正在研究如何进一步将这些珠子分成与目标分子结合的和没有结合的两种。“不过，挑战在于，我们怎么知道我们已经拥有了我们想要的东西?”

珠子本身是肉眼看不见的。这就是Tadesse工作的切入点。她的实验室使用拉曼光谱作为一种“指纹”病原体的方法。她发现不同类型的细胞以独特的方式散射光线，这可以作为识别它们的标志。

在团队的新工作中，她和她的同事们发现dynabead也有一个独特而强烈的拉曼特征，可以作为一个惊人的清晰的灯塔。

“我们最初试图识别细菌的特征，但dynabead的特征实际上非常强，”Tadesse说。“我们意识到这个信号可以向你报告你是否有这种细菌。”

测试标

作为一个实际的演示，研究人员将dynabead混入被沙门氏菌污染的小瓶水中。然后，他们将这些珠子磁隔离到显微镜载玻片上，并测量了当光暴露在激光下时光在液体中散射的方式。在半秒内，他们迅速检测到Dynabeads的拉曼特征——确认了Dynabeads的结合，由此推断，沙门氏菌存在于液体中。

“这是一种可以用来快速给出肯定或否定答案的东西:是否有污染物? 因为即使是少数病原体也会引起临床症状。”

该团队的新技术比传统方法快得多，并且使用的元素可以适应成更小、更便携的形式——这是研究人员目前正在努力实现的目标。这种方法也是非常通用的。

“沙门氏菌是概念的证明，你可以购买带有大肠杆菌抗体的Dynabead，同样的事情也会发生:它会与细菌结合，我们就能检测到Dynabead的特征，因为它的信号非常强。”

该团队特别热衷于将这种测试应用于脓毒症等疾病，在这种情况下，时间是至关重要的，而且使用传统的实验室测试无法快速检测到引发这种疾病的病原体。

卡尼克实验室的一名成员李说:“在很多情况下，比如败血症，致病细胞不能总是在培养皿上生长。”“在这种情况下，我们的技术可以快速检测到这些病原体。”

这项研究得到了麻省理工学院激光生物医学研究中心、国家癌症研究所和麻省理工学院Abdul Latif Jameel水和食品系统实验室的部分支持。

Journal Reference:

1. Jongwan Lee, Marissa McDonald, Nikiwe Mhlanga, Jeon Woong Kang, Rohit Karnik, Loza F. Tadesse. More than magnetic isolation: Dynabeads as strong Raman reporters towards simultaneous capture and identification of targets. Journal of Raman Spectroscopy, 2023 [abstract]