目前，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）不同變體和其他與病毒相關(guān)的威脅令人擔(dān)憂，特別是病毒獲得的突變增強(qiáng)了其傳播力，影響了診斷和疫苗效力。因此，迫切需要開發(fā)快速、準(zhǔn)確和易于使用的病毒診斷/檢測方法。另一方面，當(dāng)一種新的未知病原體或新的突變出現(xiàn)時，找到合適的受體進(jìn)行檢測是至關(guān)重要的，特別是對于無標(biāo)記傳感系統(tǒng)。而理想的無標(biāo)記傳感系統(tǒng)除了需要對與傳感器表面結(jié)合的材料特性變化具有高敏感性之外，還必須能夠通過適當(dāng)?shù)谋砻婀δ芑褪荏w來確保檢測的特異性。

然而，獲得針對新目標(biāo)的生物識別元素涉及到一個獲得高質(zhì)量特定材料的多步驟過程。而該過程通常只能獲得極少量的產(chǎn)物（低濃度和小體積）。因此，新的檢測平臺除了需要具備高靈敏度之外，還應(yīng)高度小型化，以允許利用微量樣品進(jìn)行多次檢測。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自波蘭華沙理工大學(xué)（Warsaw University of Technology）等機(jī)構(gòu)的研究人員介紹了一種基于光纖誘導(dǎo)的微腔串聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀（μIMZI）的實(shí)時、高度小型化傳感方案，可用于SARS-CoV-2之類病毒顆粒檢測。該檢測方法旨在檢測體積小至數(shù)百皮升的樣品中SARS-CoV-2病毒顆粒的保守區(qū)域，其檢測限可以達(dá)到ng/mL水平。相關(guān)研究成果以“Low-volume label-free SARS-CoV-2 detection with the microcavity-based optical fiber sensor”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊。

如圖1所示，這項(xiàng)工作首次利用基于微腔的光纖傳感器直接檢測SARS-CoV-2病毒顆粒?？紤]到病毒的不斷進(jìn)化，該研究應(yīng)用的生物傳感方法是基于抗核衣殼SARS-CoV-2蛋白抗體。N蛋白是病毒核衣殼的主要組成部分，通過與病毒RNA結(jié)合決定復(fù)制周期。

利用蛋白N作為靶點(diǎn)最重要的依據(jù)是，根據(jù)臨床研究報(bào)告，該蛋白在感染早期會大量表達(dá)；此外，與翻譯后修飾較多的S蛋白相比，N蛋白在Ser176位點(diǎn)只有一個特征較好的o-磷酸化位點(diǎn)，且沒有糖基化位點(diǎn)。因此，與受體的結(jié)合親和力不會受到干擾，使N蛋白成為SARS-CoV-2感染早期診斷靶點(diǎn)的理想候選者。

圖1 基于微腔的光纖傳感器檢測SARS-CoV-2之類病毒顆粒示意圖

與其他的無標(biāo)記生物傳感裝置相比，該研究基于定制化的且可獲得量（體積和濃度）小的非商用生物材料【即SARS-CoV-2病毒顆粒、抗N蛋白（特別是SARS-CoV-2的重組N蛋白RNA結(jié)合域）抗體】，因此需要微量傳感系統(tǒng)。所提出的傳感器有助于測量皮升體積的樣品，并實(shí)現(xiàn)生物分子相互作用的無標(biāo)記和實(shí)時監(jiān)測。因此，它可以在不超過30分鐘的時間內(nèi)完成一步式檢測。此外，通過對傳感器表面進(jìn)行化學(xué)官能化優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)ng/mL范圍內(nèi)的出色靈敏度水平。

研究人員制造的傳感器形狀和直徑如圖2A所示。為了在表面化學(xué)修飾和生物測定之前對μIMZI傳感器進(jìn)行表征，在微加工過程之后對其RI靈敏度進(jìn)行了測量。如圖2B所示，隨著RI的增加，發(fā)射功率和最小波長都發(fā)生了變化。在圖2C中，繪制了最小波長與RI的對應(yīng)關(guān)系。

每個樣本對應(yīng)的點(diǎn)用最小二乘法線性逼近，以確定特定RI區(qū)域的靈敏度。結(jié)果顯示，該工作所提出的μIMZI在較短波長（綠色線表示）和較長波長（藍(lán)色線表示）的RI靈敏度分別達(dá)到10000 nm/RIU以上和14000 nm/RIU以上（圖2C）。

圖2 微腔串聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀（μIMZI）傳感器SEM圖像及靈敏度表征

隨后，為了驗(yàn)證該傳感方法的有效性，研究人員將利用μIMZI檢測的結(jié)果與利用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)（如ELISA）所獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，μIMZI檢測靈敏度水平優(yōu)于ELISA。此外，靈敏度水平與現(xiàn)有的無試劑側(cè)向流動檢測相當(dāng)，其檢測限在ng/mL范圍。

然而，需要指出的是，鑒于每個病毒顆粒的蛋白質(zhì)拷貝數(shù)很大（~ 1000），μIMZI傳感器已被設(shè)計(jì)用于檢測/靶向核衣殼蛋白。而COVID-19陽性患者的常見病毒載量在每毫升10?-10?個病毒之間，因此感染期間的N-蛋白水平明顯高于傳感器的檢測限。唾液中的N-蛋白水平在COVID-19感染初期為數(shù)十pg/mL，在接下來的幾天內(nèi)甚至可以達(dá)到數(shù)百ng/mL。

在血液中，N-蛋白濃度比唾液中的小，但差異不大，能夠維持在數(shù)十至數(shù)百pg/mL的水平。因此，可以得出結(jié)論，μIMZI甚至可以用于診斷低病毒載量的無癥狀病例。

圖3 微腔串聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀（μIMZI）在實(shí)驗(yàn)的每個階段對用作受體的抗N抗體和不同濃度的SARS-CoV-2之類病毒顆粒的響應(yīng)

綜上所述，該研究報(bào)道了第一個用于病毒檢測的基于微腔的光纖傳感器。該傳感技術(shù)可以快速、直接、無標(biāo)記、特異性和高靈敏度地檢測所選靶標(biāo)。該傳感器實(shí)時檢測SARS-CoV-2之類病毒顆粒的最低檢測限為ng/mL。需要強(qiáng)調(diào)的是，該傳感器只需pL級體積樣品即可正常工作。

因此，除了檢測外，該微腔串聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀（μIMZI）還可以用于研究、分析和驗(yàn)證低濃度/低體積受體與所選靶標(biāo)之間的相互作用。這些反過來又對基礎(chǔ)研究、藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的傳感平臺至關(guān)重要，尤其是在疫情爆發(fā)，并出現(xiàn)了如SARS-CoV-2等新病原體的時候。

審核編輯：劉清