專訪德克薩斯大學秦真鵬:鐳射+金奈米顆粒,將超靈敏病毒檢測縮短至30分鐘

近日,德克薩斯大學達拉斯分校秦真鵬團隊發表論文,開發了一種名為數字電漿體奈米氣泡檢測(DIAMOND)的新技術。

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撰文 | 王聰

編輯 | 王多魚

排版 | 水成文

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近日,德克薩斯大學達拉斯分校秦真鵬團隊發表論文,開發了一種名為數字電漿體奈米氣泡檢測(DIAMOND)的新技術。可將病毒的檢測時間縮短至30分鐘,且靈敏度與 PCR 檢測相當。

生物世界》第一時間專訪了秦真鵬教授,通過此次專訪,我們一起來了解這一新型檢測技術的原理和應用前景。

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當前的 COVID-19 大流行,證明了高精度快速檢測病原體的能力對於疾病的治療和疫情的控制至關重要。但對傳染病病原體的快速且高靈敏的檢測診斷的需求實際上並未得到滿足。

數字免疫分析具有單分子檢測和絕對定量的優點,在近二十年裏得到了顯著進步,與傳統免疫分析相比,其靈敏度提高了上千倍。然而,數字免疫分析的檢測過程非常複雜,這限制了其廣泛應用。近年來,以奈米顆粒(Nanoparticles)為標簽的新型數字免疫分析方法,存在著步驟繁多、晶片製備難度高、需要先進的成像技術輔助等問題,因此,多數還停留在實驗室開發階段。

近日,德州大學達拉斯分校 秦真鵬 團隊在  Nature Communications  期刊發表了題為: Digital plasmonic nanobubble detection for rapid and ultrasensitive virus diagnostics  的研究論文 【1】 。

該研究開發了一種名為 數字電漿體奈米氣泡檢測 (簡稱DIAMOND) 的簡化數字免疫分析新技術, 通過鐳射和金奈米顆粒,實現快速、精準的病毒檢測。 在對 呼吸道合胞病毒 (RSV) 的測試中,僅需30分鐘即可獲得檢測結果,檢測靈敏度可達1個病毒RNA拷貝/微升。

這項研究表明,數字電漿體奈米氣泡檢測具有一步操作、單奈米顆粒檢測、室溫下直接檢測完整病毒、無需複雜液體處理等優點,是一種 快速、超靈敏、可擴展的診斷技術

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秦真鵬表示, DIAMOND 技術同樣可以用於新冠病毒流感病毒等病毒的快速精準檢測。例如,通過 PCR 檢測新冠病毒樣本,通常需要2-4個小時才能獲取檢測結果,而使用 DIAMOND 技術,檢測時間縮短到了30分鐘,而且檢測靈敏度與 PCR 相當,是抗原檢測靈敏度的上百倍。

秦真鵬本科畢業于西安交通大學,在美國阿克倫大學獲得碩士學位,之後在明尼蘇達大學獲得博士學位並完成博士後訓練。2014年,秦真鵬加入德州大學達拉斯分校機械工程系,目前是德州大學達拉斯分校機械工程系和德州大學西南醫學中心雙聘副教授。

秦振鵬 實驗室專注于對生物奈米界面的基本原理的理解,以此了解奈米顆粒電漿體加熱對奈米顆粒周圍的蛋白質和其他生物分子的影響,並將這些基礎研究應用於疾病診斷(例如病毒檢測)和疾病治療(例如腦腫瘤治療)。

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研究團隊:秦真鵬(左),劉雅寧(中),葉海航(右)

短脈衝鐳射能夠激發奈米顆粒並産生蒸汽氣泡,即電漿體奈米氣泡(plasmonic nanobubble),這些電漿奈米氣泡可以通過共聚焦探測鐳射進行檢測。電漿體奈米氣泡的壽命僅為納秒級別(10億分之一秒),對奈米顆粒的物理性質(如大小、形狀、濃度和聚集狀態)十分敏感。

由於電漿體奈米氣泡具有這些特點,秦真鵬團隊設計了一種光流體檢測裝置,讓奈米顆粒懸浮液在微毛細管中流動,使用兩束鐳射 (脈衝鐳射和探測鐳射) 同步激活奈米顆粒並檢測産生的電漿奈米氣泡。

研究團隊將該技術應用於呼吸道合胞病毒(RSV)的檢測,將鼻拭子樣本與附著了 RSV 病毒抗體的金奈米探針混合,如果樣本中有 RSV 病毒,那麼金奈米顆粒上的抗體就會與病毒表面的蛋白結合,並在病毒表面大量累積。然後將檢測樣本注入微毛細管中,在兩束鐳射照射下,脈衝鐳射激活金奈米顆粒,並讓其産生電漿體奈米氣泡,結合了病毒的金奈米顆粒會産生更大的電漿奈米氣泡,沒有病毒的金奈米顆粒則産生微小的電漿體奈米氣泡。通過探測鐳射的光吸收信號即可判斷樣本中是否有病毒存在

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在檢測呼吸道合胞病毒 (RSV) 的實驗中,僅需30分鐘,即可完成檢測,且具有良好的檢測特異性,檢測靈敏度可達1個病毒RNA拷貝/微升。

秦真鵬 表示, 通過整合高速數字信號處理和微流控設備,團隊將設計並開發樣品取樣、處理、檢測等模組,在保證檢測靈敏度的同時,進一步提高檢測通量。有望在10-15分鐘內完成從取樣到結果的整個過程。

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這些數據表明,數字電漿體奈米氣泡檢測具有一步操作、單奈米顆粒檢測、室溫下直接檢測完整病毒、無需複雜液體處理等優點,是一種快速、超靈敏、可擴展的診斷技術

秦真鵬 表示, DIAMOND 技術具有很強的可擴展性,只需要改變金奈米探針上的抗體即可用於不同類型的病毒檢測,其檢測原理與 RSV 一致。目前,團隊還在開發可用於新冠病毒、流感病毒等呼吸道疾病病毒的檢測試劑盒。此外,DIAMOND 技術亦可用於其他疾病生物標誌物的檢測,如蛋白和核酸分子。通過整合高速數字信號處理和微流控設備,團隊還將拓展 DIAMOND 技術對多個病原體的多重聯檢能力。

基於這項研究成果,秦真鵬等成立了一家名為 Avsana Labs 的初創公司,旨在為現在和未來可能出現的病毒開發出更快速、更準確、更經濟的檢測方法,從而幫助減輕病毒傳播,減少病毒傳播帶來的生命損失。

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秦真鵬告訴《生物世界》, 接下來,Avsana Labs 將聯合多個合作單位,首先完成設計樣機與配套的檢測試劑盒開發,其次,與德州大學西南醫學中心合作,完成臨床樣品雙盲測試,進一步完善 DIAMOND 技術。 Avsana Labs 將率先完成呼吸道合胞病毒新冠病毒流感病毒等常見呼吸道疾病病毒的檢測試劑盒開發、樣機設計及臨床驗證。

2021年9月,秦真鵬團隊在 Nano Letters 發表論文 【2】 ,表明經顱皮秒鐳射刺激靜脈注射的金奈米顆粒,能夠暫時且可逆打開血腦屏障,從而允許抗體、病毒基因治療載體、脂質載體等通過血腦屏障,發揮治療作用。秦真鵬表示, 目前正在籌建公司來轉化這項新技術,同時實驗室也在針對腦腫瘤、漸凍症及中風等疾病開發相應的診療技術。

論文連結

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29025-w

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02996

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