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哈佛大學Wyss團隊研發口罩檢測病毒

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2021年7月14日

圖、哈佛大學團隊研發口罩檢測病毒

哈佛大學 Wyss 生物啟發工程研究所和麻省理工學院的一組研究人員找到了一種將合成生物學反應嵌入織物的方法,創造了可定制的穿戴式生物感測器,可以檢測病原體和毒素並提醒佩戴者。該團隊已將該技術整合到 wFDCF 標準口罩中,以檢測患者呼吸中是否存在 SARS-CoV-2 病毒。簡而言之,他們將 synthetic CRISPR biosensor 結合螢光蛋白,冷凍乾燥後放入試紙中,就可測出病毒RNA。

佩戴者按下 wFDCF 面罩上的按鈕,將少量水釋放到系統中,可在 90 分鐘內進行如同聚合酶鏈反應(PCR)核酸標準診斷測試,取得相當的準確度結果。該成果發表在《Nature Biotechnology 自然生物技術》上。

該團隊表示,可將整個診斷實驗室縮小到一個小型的、基於合成生物學的感測器,可與任何面罩配合使用,並將 PCR 檢試的高精度與抗原測試的速度和低成本相結合。除了口罩外,還可可編程生物感測器整合到其他服裝或織物中,以提供對危險物質的移動檢測,包括病毒、細菌、毒素和化學製劑。

SARS-CoV-2 生物感測器是三年研究成果,一種可穿戴冷凍乾燥無細胞(wFDCF)技術,涉及提取和冷凍乾燥細胞用於讀取 DNA 並偵測 RNA 和蛋白質的分子機制。這些生物元素在很長一段時間內都是穩定的,啟動它們很簡單:只需加水。可以添加合成遺傳電路來創建生物感測器,該感測器可以偵測目標分子的存在而產生可檢測的信號。

圖、wFDCF系統當偵測SARS-CoV-2顆粒時,會切斷分子鍵並改變讀條模式
 
這項技術曾應用於 2015 年 Zika 病毒爆發時診斷,可以檢測病原體衍生的 RNA 分子,並將它們與有色或螢光指示蛋白結合,然後嵌入遺傳電路到木質紙上而成為廉價、準確、便攜的診斷工具。在成功將生物感測器嵌入紙張後,該團隊將目光投向了可穿戴設備。

然後,因應 2020 年 COVID-19 大流行來襲,該團隊提出了將 wFDCF 集成到口罩中以檢測 SARS-CoV-2 的想法。整個項目從 2020 年 5 月開始在隔離或嚴格的社會隔離下完成。

他們創建的 COVID-19 檢測口罩,最終產品由三種不同的凍乾生物反應組成,通過按鈕從水庫中釋放水來依次啟動這些反應。
  • 第一個反應是切開 SARS-CoV-2 病毒的膜以暴露其 RNA。
  • 第二個反應是一個擴增步驟,從病毒 RNA 中生成大量 Spike 編碼基因的雙鏈拷貝。
  • 最後的反應使用基於 CRISPR 的 SHERLOCK 技術來檢測任何 Spike 基因片段,作為響應,將探針分子切成兩個較小的片段,然後通過側向流檢測,是否有任何可切割的 Spike 片段取決於患者呼吸中是否有 SARS-CoV-2。
這種差異反映在設備讀數部分出現的簡單線條圖案的變化上,類似於簡易型驗孕棒試驗。

wFDCF 口罩是首個 SARS-CoV-2 核酸檢測,其準確率可與當前的標準 RT-PCR 檢測相媲美,同時在室溫下完全運行,無需加熱或冷卻儀器,並允許快速篩查實驗室外的患者樣本。也就是說,這項檢測過程,冷凍乾燥、無細胞合成生物學技術可以擴展到可穿戴裝置上,並用於新型診斷應用,包括面罩診斷的開發。面罩診斷省略了電子元件,有利於易於製造和低成本,但將更多的永久性元件整合到系統中開闢了廣泛的其他可能應用。

在他們的論文中,研究人員證明,可以將光纖網路整合到他們的 wFCDF 技術中,以檢測生物反應產生的螢光,從而以高精度檢測目標分子。這種數位信號可以發送到智能手機APP上,讓佩戴者能夠監控他們接觸大量物質的情況。

這項技術可以被納入研究危險材料或病原體的科學家的實驗室外套,醫生和護士防護衣,或可能暴露於危險病原體或毒素(如神經毒氣)的急救人員和軍事人員的製服。該團隊正在積極尋找有興趣幫助大規模生產,可在 COVID-19 大流行期間使用的面罩診斷工具以及檢測其他生物和環境危害的製造合作夥伴。

這項研究得到了國防機構 HDTRA1-14-1-0006、Paul G. Allen Frontiers Group、Wyss 生物啟發工程研究所、哈佛大學、嬌生公司的支持。(782字;圖1)


參考資料:
Face mask can help diagnose COVID-19. The Havard Gazette, 2021/6/28.
PG Lin@一些科學筆記。FB, 2021/7/3.


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