黑科技!可检测新冠病毒的口罩来了
来源: 生物世界 作者: 2021年07月07日 12:08



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在日常生活中,大多数人会将“可穿戴设备”一词与智能手表、手环、无线耳机等联系起来。但是,你是否会想象有一天我们可以如同科幻电影中的角色一般穿戴尖端的生化服——当你暴露在危险环境中时,它能警告你及时规避风险,这听起来是不是很酷?
如今,随着科技的不断进步,这些科学幻想正在一步步化作现实。2021年6月28日,哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和麻省理工学院的研究人员在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为:Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection的研究论文。
该研究开发了一种基于CRISPR技术的可穿戴的合成生物学生物传感器,用以检测环境中的病原体和毒素,并通过发出荧光警告穿戴者。而且,研究团队还将这一技术集成到了标准口罩中,以检测患者呼吸中,以及空气中是否存在新冠病毒(SARS-CoV-2)。
使用者可以通过按钮激活口罩中的检测系统,并在90min内提供与当前标准核酸诊断测试相媲美的检测结果。在可穿戴面料中成功嵌入合成生物学传感器是创造多功能智能服装的第一步,这些服装有望实现生物医学等更大范围的应用。
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实际上,早在COVID-19大流行之前,该论文的通讯作者 Jim Collins 教授就率领其研究团队开始了相关的研究。简单来说,这项技术主要涉及蛋白-核酸提取和冷冻干燥等技术,以此制造出生物传感器,而这种生物传感器可以针对目标分子的存在与否产生相应的可检测信号。
2015年, Jim Collins 等人首次将这种技术应用于诊断寨卡病毒。他们将有色或荧光指示蛋白与可检测病原RNA的生物传感器相结合,然后将它们嵌入试纸中,从而创造出廉价、准确和便携的诊断方法。
基于此,在成功将生物传感器植入纸张之后,Jim Collins 等目光投向了可穿戴设备。在此之前,已经有研究团队开发出可以感知生物分子的可穿戴设备,但这些技术都需要将工程改造微生物植入到可穿戴设备中,使用者就像携戴着一个微型水族箱一样,这些“可穿戴设备”不仅实用性不高,还容易损坏。一旦损坏,其中携带的工程改造微生物就会泄漏到使用者身上,估计没有人喜欢这样。
因此,研究团队开始研究可穿戴冷冻干燥无细胞技术(wFDCF)能否解决这个问题,他们在100多种不同的织物上进行了系统的测试。随后,十分巧合的是,COVID-19大流行爆发了。

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可穿戴冷冻干燥无细胞技术(wFDCF)

研究团队整合了许多研究机构和资源来研发可以检测新冠病毒(SARS-CoV-2)的可穿戴式口罩,其中包括了由张锋开发的基于CRISPR-Cas13a的病毒检测系统SHERLOCK,最终产品由三种不同的冻干生物反应组成,通过按下一个按钮,这三种组分就会依次被激活。
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基于wFCDF技术的诊断口罩的使用步骤
第一种反应可以破坏新冠病毒的蛋白外壳,暴露其内部的RNA;第二个反应则是一个常温PCR扩增步骤,可以特异性扩增新冠病毒的刺突蛋白(S蛋白)的基因片段;最后的反应使用基于CRISPR-Cas13a的SHERLOCK技术来检测S基因,被激活的Cas13a将探针分子切成两个更小的片段,最后通过试纸进行报告。
关于SHERLOCK技术:张锋发布SHERLOCK技术检测新冠病毒的详细操作方法简而言之,这类似于常见的早孕试纸,检测试纸上的条带数目(一条为阳性、两条为阴性)可以反映使用者的呼吸中是否有新冠病毒(SARS-CoV-2)。
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检测原理图
该研究开发的wFDCF口罩,是首个能够在室温下完成操作的、高准确率的新冠病毒核酸检测设备,它无需加热或冷却仪器,从而可以便携地在实验室外快速筛查患者样本。
Jim Collins 教授说道:“这项研究表明,冻干、无细胞合成生物学技术可扩展到可穿戴设备,并用于新的诊断应用,包括开发口罩诊断。更让我自豪的是,我们的团队在COVID-19大流行期间团结起来,为解决病原检测挑战,创造了全新的解决方案!”
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可诊断SARS-CoV-2的可穿戴口罩


不仅如此,在论文中,研究人员还证明了可以将光纤网络集成到wFCDF技术中,以此定量检测生物反应产生的荧光,产生一个更客观、更令人信服的定量数据,并且这个数字信号还可以发送到一个智能手机应用程序中,让佩戴者实时监控自己接触的各种物质。


更重要的是,这种wFCDF技术还具有十分广泛的应用前景,它可以整合到口罩、衣服等穿戴物中。与此同时,它还具有多种检测功能,例如病原诊断、危险化学品试剂检测和神经毒气检测等等,适用于科学家、医生、护士和应急部门人员,以及生活在COVID-19大流行阴影之下的广大民众。
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wFCDF技术具有很强的整合灵活性和十分广泛的应用前景

总而言之,Jim Collins 教授领导的研究团队在COVID-19大流行期间,创造了一种对抗致命流行病的有力工具——基于wFCDF技术的诊断口罩。更令人印象深刻的是,这些可穿戴生物传感器不仅可以应用于新冠病毒检测,还能应对广泛的健康威胁。
据悉,该团队正在积极寻找有兴趣帮助大规模生产可在COVID-19大流行期间使用的口罩诊断工具及检测其他生物和环境危害的合作伙伴。

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