近日，海南三亚、西藏拉萨等地区再次暴发局部新冠疫情，而同时也正值多地高温天气多发，居民需冒着高温天气出门排队做核酸，医护需穿着防护服顶着烈日为居民做核酸。如此一来，所有人都承受着精神和身体的极大压力。有没有一种便携式诊断设备，使居民无需出门便可高效检测新冠病毒呢？
有了这款便携式诊断仪，或许不用再排队做核酸
根据Medical Xpress报道，来自哈佛大学的科研人员研发出一种明信片大小的新型便携式诊断设备，这款设备可以同时准确检测出感染者唾液样本中的新冠病毒和抗体。研究人员表示，这种新冠诊断设备使得我们可以经济且高效地追踪监测人群的病毒感染和体内免疫情况，其准确性水平和实验室测试准确性水平相当。这种检测方法可以显著改善全球应对未来流行病的能力，并为患者个人应接受哪些治疗提供一定方案。
这项研究结果以“A lab-on-a-chip for the concurrent electrochemical detection of SARS-CoV-2 RNA and anti-SARS-CoV-2 antibodies in saliva and plasma”为题，发表在Nature Biomedical Engineering上。在这项研究中，研究人员开发出一种芯片设备，其可以通过多路电化学输出在2小时内同时检测到人体唾液中的新冠病毒和抗体[1]。
图1 研究成果（图源：[1]）
研究人员选择唾液作为样本，因为从唾液中可以同时检测到病毒颗粒和抗体。研究团队设计了一个由多容器、通道和加热元件组成的微流体系统，被检测的样本物质可以在设备内被自动混合和转移，而无需更多手动操作。以病毒库为例，在第一个腔室中，人的唾液与一种酶结合，该酶能打开任何病毒的外壳以暴露其RNA。接着，将样本泵入反应室，在反应室中加热并与放大病毒RNA的环介导等温扩增试剂混合。30分钟后，再向其中加入一种含有SHERLOCK试剂的混合物，然后设备会自动将它们一起泵送到eRapid电极所在的位置进行检测。
在混合物中没有新冠病毒遗传物质的情况下，附着有生物素的单链（ssDNA）分子与电极表面上的肽核酸（PNA）分子结合，生物素与混合物中的聚-HRP-链酶亲和素结合，导致四甲基联苯胺从液体溶液中以固体形式沉淀。当固体落在电极上时会改变电导率，这种变化被检测为流过电极的电流量的差异，表明样本不含病毒。
如果唾液样本中存在新冠病毒的遗传物质，SHERLOCK混合物中的CRISPR酶会切割它以及ssDNA，这种切割作用将生物素分子与ssDNA分离，因此当ssDNA与PNA结合时，不会触发四甲基联苯胺从液体溶液中以固体形式沉淀的一系列反应。因此，电极的电导率不会发生变化，表明测试结果为阳性。
图2 微流体系统图示（图源：[1]）
在抗体库中，研究人员在电极上植入不同的新冠相关抗原，患者可以针对这些抗原产生抗体：Spike蛋白的S1亚基（S1）、S1亚基内的核糖体结合域（S1-RBD）以及存在于大多数冠状病毒（N）中的N蛋白。如果患者的唾液样本含有一种或多种这些抗体，它们就会与电极上的伴侣抗原结合，附着在生物素上的二抗将与目标抗体结合，触发固体沉淀反应并导致电极电导率变化。
对抗体特异性传感器进行测试，研究人员发现该系统能以超过95%的准确度区分针对S1、S1-RBD和N的抗体。
研究人员表示：“区分不同类型的抗体，对于确定患者的免疫力是来自于疫苗还是感染，以及追踪患者免疫水平的变化很重要”。
最后，研究团队使用新冠感染者的唾液对诊断设备进行了测试，将感染者唾液一部分添加到抗体库中，一部分添加到病毒库中。2小时后，对设备的电极读数进行测量。研究人员发现，这一检测平台的准确度高达100%，可以有效检测人体唾液中是否含有新冠病毒和抗体。此外，检测设备灵敏度也很高，能够检测到低至每微升0.8个拷贝的病毒RNA。
可灵活检测出不同新冠变体的快速检测技术
除了上面提到的便携式新冠检测设备，2021年，病理学家Jeffrey SoRelle医学博士及其同事开发了一种新冠病毒测试技术CoVarScan，可检测出新冠病毒中的8个突变热点。借助于CoVarScan对4000多名患者进行新冠病毒测试之后，研究人员发现，这一技术与其他检测新冠病毒的方法一样准确，并且可以有效区分当前所有的新冠变体。论文作者SoRelle博士表示：“使用这项测试，我们可以非常快速地确定感染者体内感染的是哪种变异毒株”。
相关研究结果以“Multiplex Fragment Analysis for Flexible Detection of All SARS-CoV-2 Variants of Concern”为题，发表在Clinical Chemistry上。
图3 研究成果（图源：[1]）
CoVarScan专注于新冠病毒的八个区域，这些区域通常在病毒变体之间存在差异。该检测方法使用目前的常见技术——聚合酶链式反应（PCR），以复制和测量这八个位点的RNA，从而可以检测到微小的突变。
为了测试该技术的准确性，研究人员对在2021年4月至2022年2月在UT Southwestern收集的4000多个新冠阳性鼻拭子样本进行了测试。同时，研究人员也使用全基因组测序方法对这些样本进行检测，作为对比。与全基因组测序相比，CoVarScan的灵敏度高达96%、特异性高达99%，它能够识别并区分新冠病毒的Delta、Mu、Lambda 和 Omicron变体，包括Omicron的BA.2版本。
SoRelle博士表示，如果未来有需要的话，他们可以加入更多基因位点用于检测，从而应对未来新毒株的出现。接下来，该研究团队计划继续研究CoVarScan并开发其商业使用版本。
从2019年底至今，新冠病毒已经伴随我们三年，我们不知道究竟何时才能完全战胜新冠病毒，但只要新冠病毒存在一天，我们就一天不能放松警惕。以上这些检测设备是为了应对新冠病毒的大规模检测而被研发出来，希望这些设备可以早日投放市场，以应对新冠病毒检测，减轻医护人员和居民的核酸检测压力。
参考资料：
[1]Najjar D, Rainbow J, Sharma Timilsina S,et al. A lab-on-a-chip for the concurrent electrochemical detection of SARS-CoV-2 RNA and anti-SARS-CoV-2 antibodies in saliva and plasma. Nat Biomed Eng. 2022 Aug 8. doi: 10.1038/s41551-022-00919-w. Epub ahead of print. PMID: 35941191.
[2]Clark AE, Wang Z, Ostman E, et al. Multiplex Fragment Analysis for Flexible Detection of All SARS-CoV-2 Variants of Concern. Clin Chem. 2022 Jul 27;68(8):1042-1052. doi: 10.1093/clinchem/hvac081. PMID: 35616102.
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