只需4分钟,就能出核酸检测结果!日前,复旦大学高分子科学系魏大程团队研发出一种新冠病毒核酸检测新 *** ,这一成果以《在未扩增样本中快速、超灵敏机电检测离子、生物分子和新冠病毒RNA》(Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples)为题,发表在生物工程领域顶刊《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)上。
从采集到结果公布,最快需要2小时,这是目前通用的新冠病毒核酸检测需要的时间。复旦大学魏大程团队研发一种新型传感器,通过微电子技术分析拭子中的遗传物质,可以在4分钟的时间内检测到新冠病毒核酸。除检测速度快之外,还具有灵敏度高、操作简单、便于携带特点。
基于逆转录聚合酶链反应(下文简称:qRT-PCR)核酸检测是筛查新冠阳性患者的“金标准”。作为一种用于放大扩增特定的脱氧核糖核酸(下文简称:DNA)片段的分子生物学技术,它更大的特点是能将微量的DNA数量大幅增加。但qRT-PCR的预处理和扩增过程增加了检测时间,需要2–4小时,检测过程也需要熟练的技术人员、特定的实验室和设备。
基于此,魏大程团队提出了分子机电系统(MolEMS),这是一种DNA分子自组装而成,通过外电场驱动,能精准调控分子识别和信号转化过程的微型装置。简单而言,其工作原理就是将通过识别和转化,将检测中的化学信号转变为电信号。
运用新 *** ,通过传统的鼻咽拭子采集样本后,样本中新冠病毒核酸的某一基因片段与组装到石墨烯场效应晶体管上的分子机电系统,会发生特异性作用,分子机电系统“抓”住病毒核酸, 外电场驱动柔性适配体悬臂发生运动,传感过程更加接近晶体管沟道,显著提升灵敏度。检测结果可直接从电学响应中读出,不需要复杂操作,在4分钟内就可以检测到新冠病毒。即,晶体管中有电信号反应,则样本呈新冠阳性。
现有的qRT-PCR检测通过加入探针和荧光化学物质,来检测病毒,要得到显著的荧光信号,1-2小时的分子扩增不可避免。而晶体管自身的信号放大的特点,省去了复制扩增的步骤,可以迅速识别,得到检测结果,实现检测时间的飞跃。
qRT-PCR检测之所以需要扩增,是因为临床样本中核酸浓度与病毒载量非常低。新的检测方式却有超灵敏性,团队使用病毒转运培养基连续稀释样本中提取的病毒核酸,在低浓度下,qRT-PCR检测已变得无能为力;而新设备在病毒转运培养基中浓度降至约0.02拷贝/微升时仍可以检测到病毒。
在测试新设备的实验中,团队测试了33个来自核酸检测呈阳性的新冠感染者的鼻咽拭子样本、23个来自发烧但核酸检测呈阴性的患者样本,以及来自健康志愿者的25个样本。所有临床样本加热释放核酸,然后直接进行测试,无需核酸提取或扩增。
结果显示,新设备与qRT-PCR检测结果一致。检测不但准确,而且还比传统核酸检测的速度快得多。
对研究成果最快多久能够进入临床落地,魏大程表示,研究处于理论验证阶段,走向产业化还有一段路,预计最快5年内能够落地。现阶段团队已与一些单位和企业积极开展交流合作。
除新冠病毒检测外,该技术还有可能对其他疾病进行快速的精确诊断,不再需要通常意义上,花费数小时或数天才能完成的目标物纯化、扩增或培养。“我们也在做一些其他生物标志物的研究,比如如何准确检测癌症标志物。”
魏大程团队长期致力于研究新型晶体管材料、器件及其在生物、化学和光电传感等领域的应用。疫情期间,团队开始思考如何发挥自身优势,将所研究的晶体管材料应用于新冠病毒的检测中。自2020年开展研究以来,团队先后在《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)发表多篇相关文章。