當(dāng)圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)教授Srikanth Singamaneni和Guy Genin在2019年底與醫(yī)學(xué)院的研究人員建立新的合作關(guān)系時，他們并不知道傳染病研究的格局即將發(fā)生巨大變化。在一個美麗的秋天，在俯瞰森林公園的會議室里，團(tuán)隊心中只有一個目標(biāo)：解決當(dāng)時世界面臨的最大傳染病問題。

“Srikanth和我有一個簡單，定量診斷工具的愿景，所以我們與WashU的傳染病醫(yī)生聯(lián)系并問他們，'如果你能在護(hù)理點(diǎn)廉價地獲得真正詳細(xì)的信息，最重要的問題是什么?'”Genin說，Harold和Kathleen Faught機(jī)械工程教授。

“Greg Storch告訴我們，傳染病領(lǐng)域面臨的最重要挑戰(zhàn)之一是找到一種方法來快速確定患者是否患有細(xì)菌感染，是否應(yīng)該接受抗生素治療或病毒感染，抗生素對此無效。

醫(yī)學(xué)博士Storch是醫(yī)學(xué)院的Ruth L. Siteman兒科教授，他對經(jīng)常影響大多數(shù)人的疾病感興趣 - 感冒，鏈球菌性咽喉炎或流感 - 但這些疾病沒有得到罕見疾病那么多的研究關(guān)注。“即使在傳染病診斷方面取得了巨大進(jìn)展，仍然有一個簡單，快速和敏感的測試，”Storch說。“如果他們能夠提供定量信息，那將特別強(qiáng)大。具有這些特征的測試可以在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場使用。

憑借他在開發(fā)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的納米材料方面的多年經(jīng)驗(yàn)，Lilyan & E. Lisle Hughes教授Singamaneni試圖克服即時診斷測試中的這些限制。Singamaneni和他的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了稱為等離子體熒光熒光的超亮熒光納米標(biāo)記，可以快速集成到一個通用的測試平臺，即側(cè)向流動測定(LFA)。

等離激元增強(qiáng)型LFA(p-LFA)將廉價、現(xiàn)成的快速檢測提高到醫(yī)生所需的靈敏度水平，從而對檢測結(jié)果充滿信心，而無需基于實(shí)驗(yàn)室的確認(rèn)。

根據(jù)2月1日發(fā)表在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》上的研究結(jié)果，該團(tuán)隊的p-LFA比傳統(tǒng)的LFA敏感000倍，后者通過條帶上的視覺顏色和熒光信號顯示結(jié)果。當(dāng)使用熒光掃描儀進(jìn)行分析時，p-LFAs也比金標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測試快得多，只需20分鐘而不是幾個小時即可返回結(jié)果，靈敏度相當(dāng)或更高。p-LFAs可以檢測和量化蛋白質(zhì)的濃度，使它們能夠檢測細(xì)菌和病毒感染以及指向其他疾病的炎癥標(biāo)志物。

“等離子體熒光由金屬納米顆粒組成，作為天線來吸收光線并增強(qiáng)分子熒光團(tuán)的熒光發(fā)射，從而使其成為超亮納米顆粒，”Singamaneni解釋說。

“我們的p-LFAs甚至可以拾取非常小濃度的抗體和抗原，這是感染的典型標(biāo)志物，并為臨床醫(yī)生提供清晰，快速的結(jié)果，而無需專門的設(shè)備。對于初始篩選之外的定量測試，可以使用熒光讀數(shù)器掃描相同的LFA條，只需一次測試即可快速，超靈敏的比色和熒光檢測疾病標(biāo)志物。

“這就像調(diào)高標(biāo)準(zhǔn)變色試紙的音量一樣。新的p-LFA不是得到一條微弱的線，只指示陽性或陰性結(jié)果，而是用更少的顆粒提供更清晰的結(jié)果，使人們能夠借助廉價的便攜式掃描儀從簡單的'是或否?'到確切的'多少?'，“醫(yī)學(xué)院臨床和轉(zhuǎn)化研究部麻醉學(xué)研究教授Jeremiah Morrissey說。Morrissey是這項新研究的合著者，也是Singemaneni實(shí)驗(yàn)室的長期合作者。

這種改進(jìn)的檢測能力對于現(xiàn)在非常熟悉快速可靠的檢測結(jié)果的需求和假陰性風(fēng)險的人群來說具有明顯的好處。

“當(dāng)我們在2019年解決這個問題時，我們認(rèn)為我們最大的挑戰(zhàn)是從病人那里獲得足夠數(shù)量的樣本，”Genin回憶道。“我們到底在哪里可以找到大量患者的樣本，這些患者的癥狀被仔細(xì)記錄，他們的診斷是通過緩慢而昂貴的PCR測試得到驗(yàn)證的?”在幾個月內(nèi)，COVID-19將消除這一障礙，同時帶來一系列新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

第一作者羅希特·古普塔(Rohit Gupta)說：“大流行對我們來說是一個很大的轉(zhuǎn)變，就像對每個人一樣，”他作為Singamaneni實(shí)驗(yàn)室的研究生從事p-LFA研究，現(xiàn)在是輝瑞公司的資深科學(xué)家。“我們不得不放棄最初對區(qū)分病毒和細(xì)菌的關(guān)注，但事實(shí)證明，這是一個真正利害攸關(guān)的實(shí)用科學(xué)的機(jī)會。我們正在與流行病學(xué)家合作獲取樣本進(jìn)行測試，與診斷師合作將我們的測試與可用的測試進(jìn)行比較，并與臨床醫(yī)生合作深入了解患者護(hù)理的真正需求。

整個合作的投入幫助Gupta和Singemaneni完善了p-LFAs的設(shè)計，最終實(shí)現(xiàn)了95%的臨床敏感性和100%的SARS-CoV-2抗體和抗原特異性。Genin將結(jié)果描述為令人震驚。

“我們不知道它會工作得這么好，”他說。“我們知道這會很好，但我們不知道這個帶有 1 美元讀數(shù)設(shè)備的 300 美元測試會比我們在 COVID 大流行期間使用的最新技術(shù)要好得多——10 倍。”

現(xiàn)在他們已經(jīng)證明p-LFAs在靈敏度，速度，便利性和成本方面可以優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測試，該團(tuán)隊正在尋求為該技術(shù)開發(fā)新的應(yīng)用，包括回到他們最初的目標(biāo)，即識別細(xì)菌與病毒感染，并將他們的診斷工具交到世界各地的醫(yī)生手中。

p-LFA技術(shù)已由華盛頓大學(xué)技術(shù)管理辦公室授權(quán)給Auragent Bioscience LLC。Singamaneni和Morrissey是WashU初創(chuàng)公司Auragent的聯(lián)合創(chuàng)始人之一。

“我們預(yù)計在未來一到兩年內(nèi)將p-LFAs商業(yè)化，”Singamaneni說。“目前，我們正在努力改進(jìn)我們的便攜式掃描儀技術(shù)，除了肉眼可以看到的顏色變化外，它還為試紙增加了更靈敏的熒光讀取能力。我們認(rèn)為我們可以將成本降低到美國和國外的農(nóng)村診所可以使用的程度，這是我們最初的目標(biāo)之一。

Singamaneni補(bǔ)充說：“我們也對檢測比COVID更多的疾病的潛力感到興奮，可能使用可以采集無痛樣本的皮膚貼片。“這項技術(shù)有可能檢測任何數(shù)量的疾病，從性傳播感染到呼吸道感染等等，以及指示類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和敗血癥等疾病中炎癥的細(xì)胞因子。

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