基于免疫应答水凝胶的调制谐振传感器,用于呼吸道病毒的快速检测

MEMS 2024-05-25 00:01

传染性呼吸道病毒的季节性爆发,会给公共卫生保健带来沉重负担。因此,开发快速、准确、低成本的工具来诊断是否感染传染性呼吸道病毒,一直是疫情防控的优先事项之一。而水凝胶作为一种制作简单、成本低廉的材料,在该领域具有很大的应用前景。 


为了实现对病毒气溶胶快速、灵敏的免疫传感,浙江大学刘清君教授团队创造性地开发了一种免疫应答水凝胶调制谐振(ImmHR)传感器。该传感器所用的免疫应答水凝胶,主体为聚丙烯酰胺(AAm)网络和抗体修饰的金纳米颗粒(AuNPs-Ab)。研究人员以SARS-CoV-2、甲型H1N1流感和RSV三种病毒为例,验证了该器件的高灵敏度和准确性,为传染性呼吸系统疾病的生物传感和诊断提供了一个简单、准确和通用的平台。相关研究成果近期以“Rapid and on-site wireless immunoassay of respiratory virus aerosols via hydrogel-modulated resonators”为题,发表在Nature Communications期刊上。


无线免疫分析技术的结构和机理


团队研发的无线免疫分析平台由ImmHR传感器和射频读出线圈组成。为了检测来自呼吸道的各种样本(液、气溶胶等),传感器将免疫应答水凝胶和一对射频谐振器耦合在一起,形成在免疫反应时可调谐的谐振结构,将目标抗原的刺激反应转化为谐振频率的变化。此外,竞争性抗原结合进一步导致AuNPs聚集,使得蓝色水凝胶逐渐褪色,从而适配于比色测定。

图1 用于病毒气溶胶检测的无线免疫分析


水凝胶形成及成分优化

团队以SARS-CoV-2核衣壳蛋白(NP)和相应抗体为模型抗原和抗体制备免疫应答水凝胶。由于免疫交联的破坏,病毒抗原和AuNPs-Ab之间进一步的竞争性免疫结合引发了强烈的水凝胶膨胀。另外,水凝胶对病毒抗原的比色测定,在5~10分钟内就可以测量到明显的颜色信号。同时,团队使用医用级雾化器产生<5 μm气溶胶颗粒,模拟类似于人类自然呼吸产生的气溶胶颗粒,并根据测试结果拟合溶液和气溶胶两种环境的传感曲线。


 图2 免疫应答水凝胶的形成和优化后的免疫应答


ImmHR传感器无线气溶胶探测


由于水凝胶介电层的厚度可对谐振频率偏移(ΔFres)进行调制,研究进一步通过中介线圈(IR)来实现传感器与读出线圈之间的耦合,从而降低读出线圈相对位移对结果的影响。通过拟合传感器对梯度浓度的病毒抗原蛋白气溶胶的响应,计算得到的传感器检测限低fg/L乃至亚fg/L,从而实现了超灵敏的病毒气溶胶检测。此外,ImmHR传感器还能兼容温度响应水凝胶构建物理传感器,从而对呼出气温度等参数进行检测。

图3 基于ImmHR传感器的气溶胶检测


可穿戴集成和多路读出

ImmHR传感器具有检测速度快、灵敏度高、完全无线和无电池配置等优点。因此,微型化和轻量化的ImmHR传感器阵列可以固定在并联的中介线圈上,并粘附在口罩表面,用于可穿戴式气溶胶检测。这种可穿戴传感器的配置与共享探测器(连接到矢量网络分析仪的读取线圈)无线耦合,可广泛用于现场免疫诊断,例如在进入工作场所的大门等位置进行社区感染监测。


图4 中介线圈介导的多路复用传感器读数


通过无线免疫分析法进行临床样品检测


为了评估基于ImmHR的无线免疫测定技术用于临床样本检测的可行性,团队收集了40名患者和20名健康志愿者的鼻咽拭子和唾液样本。统计结果进一步证明传感器对H1N1阳性样本与阴性样本产生的信号具有显著差异,证明了该方法诊断病毒感染的潜力。与最近报道的快速和敏感免疫测定法的进展相比,基于ImmHR传感器的无线免疫分析具有快速检测,灵敏度高,设备配置方便,兼容可穿戴集成等优点。

图5 甲型H1N1流感临床样本检测结果

综上所述,该研究展示了一种无线免疫分析技术,通过替换抗原/抗体识别元件来检测气溶胶中的SARS-CoV-2、H1N1和RSV病毒抗原,这些识别元件的响应时间均控制在10分钟左右。因此,无线免疫测定技术不仅可以作为一个多功能的免疫传感平台来捕获和量化病毒蛋白生物标志物,而且还可以检测各种生物体液中其他重要但低丰度的蛋白质生物标志物(汗液中的炎症生物标志物、伤口渗出液或间质液中的细胞因子和血浆中的外泌体等)。此外,从丰富的聚合物和生物识别元件(适配体、DNA或CRISPR工具中寻找材料对生物反应性水凝胶进行关键调整,也可以包括可检测分析物中的代谢物和核酸。此外,将不同类型的生物识别元素组合在一组ImmHR传感器内,或在一个传感器内合理地空间分布,有望大大提高生物标志物检测和疾病诊断(传染病和癌症等)的准确性。


浙江大学生物医学工程与仪器科学学院刘清君教授为该论文通讯作者,博士后李鑫为第一作者。该论文得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重点项目以及国家博士后基金等项目的资助。


论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48294-1


延伸阅读:

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《水凝胶技术及市场-2022版》

《癌症诊断初创公司调研-2020版》

《可穿戴技术及市场-2023版》

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