哈佛大学医学院陶伟教授Cell子刊综述：针对性传播感染类疾病即时检测的纳米材料平台

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性传播感染（sexually Transmitted Infections, STI）已引起严重的全球卫生问题，特别是对于卫生保健条件有限的偏远国家的妇女和儿童。快速的即时检测技术对于STI的早期诊断以及缓解和治疗这些疾病造成的健康问题至关重要。

近期，哈佛大学医学院陶伟教授团队受邀从纳米材料角度总结了STI即时检测的最新进展，其中重点介绍了从病毒基因分型检测到抗原检测、从病毒传感器到光学和声学传感器的应用，以及设想了纳米生物技术在STI中快速、智能的即时诊断应用。该成果以 “Materials chemistry-enabled platforms in detecting sexually transmitted infections: progress towards point-of-care tests”为题，在Cell Press旗下化学领域综述类期刊Trends in Chemistry（IF = 24.081）的7月份issue上在线发表。

一 、STI检测背景介绍

性传播感染主要通过无保护的性接触或其他非性活动（例如血液、血液制品和母婴传播）传播，全球新增病例超过3.57亿。由于许多患者没有外观表现症状，可能在不知不觉中保持慢性感染，导致性传播感染进一步传播给他人。此外，报告的性传播感染病例显着增加，其中90%发生在发展中国家。

早期准确筛查性传播感染不仅可以为患者提供及时有效的治疗，还可以限制感染的传播。迄今为止，虽然在高收入国家已经应用了即时的性传播感染检测，例如RT-PCR设备（标准核酸扩增），但对于资源有限的偏远国家，世界卫生组织推荐了“ASSURED”管理方法（英文单词Affordable便宜、Sensitive灵敏、Specific特异、User-friendly易使用、Rapid/Robust快速/稳定、Equipment-free无仪器和Deliverable易储运的第一个字母组成）。

作为一种灵敏、特异、无需设备、快速、用户友好和低成本的检测形式，快速即时检测可避免过度治疗，同时也能准确指导抗生素的使用，实现高效治疗。因此，更方便且更便宜的即时检测有望成为STI的“ASSURED”的重要组成部分。此外，世卫组织已将开发负担得起的STI即时检测列为首要任务。在过去的几十年中，在生物医学领域具有巨大潜力的新兴纳米技术极大地影响了STI即时检测的方式和方法。本文介绍了STI即时检测的最新进展（图 1），以及对基于纳米生物技术的STI检测策略从实验室转化为实际应用的未来前景和挑战提出了展望。

图1. STI的种类及其基于“ASSURED”标准的纳米材料化学诊断平台

二、STI即时检测的进展

基于病原体的核酸检测一直是当前STI检测技术的基石，例如便携式水凝胶逆转录聚合酶链反应方法、快速静电核酸富集和检测、可视化核酸微阵列、基于金纳米颗粒的核酸检测方法、直接比色诊断、电化学核酸杂交生物传感器等。作为STI检测的另一个基石，基于蛋白质生物标志物的酶联免疫吸附测定（ELISA）已被广泛应用。然而，其复杂的酶促信号放大步骤依赖于精确和标准的操作，阻碍了其在低收入国家的应用。新兴的材料化学技术为解决未满足的医疗需求提供了潜力。例如，引入量子点和基于金磁粒子的免疫探针可以提高检测的灵敏度和特异性。此外，基于微流控的技术通过将多个ELISA仪器设计成一个小的微流控芯片，完美地解决了同步免疫测定的问题。此外，智能手机及其快速发展的应用程序也为STI即时检验中的数据处理开辟了更多可能性。

文中地讨论了纳米材料平台用于检测细菌、非病毒和病毒性传播感染的策略，例如用于电化学生物传感的DNA探针偶联的CdS纳米颗粒、用于DNA视觉检测的磁性纳米颗粒、作为光学传感器的抗体修饰的量子点、基于金纳米颗粒的肉眼检测试纸条等。此外，还提到了STI的新兴的即时检验思路，例如将复杂的检测步骤和信号传输集成到单个便携式设备中进行快速检测的微流控策略，以及具有用户友好界面、低成本和快速计算特性的智能便携式设备等。

三、结论与展望

随着先进纳米生物技术的蓬勃发展，未来对STI相关即时检测的探索可以通过新兴技术得到显着改善和加速，例如特异性高灵敏度酶促报告基因解锁（SHERLOCK）和基于纳米粒子-蛋白质电晕的蛋白质组学（NanoProteomics）。SHERLOCK是一种基于成簇规则间隔短回文重复序列（CRISPR）的灵敏、廉价、快速的DNA或RNA检测方法，在基因分型和病原体检测方面具有巨大潜力。基于SHERLOCK的智能设备可用于与STI相关的即时检验。此外，当纳米材料与生物体液，如血液（血清/血浆）、尿液、唾液等混合时，会立即形成纳米颗粒-蛋白冠，而细菌或病毒的蛋白质生物标志物可以通过纳米颗粒-蛋白冠进行筛选和富集，并作为生物标志物浓缩器显着提高下游基于蛋白质的STI即时检测的灵敏度。

尽管基于纳米生物技术的STI检测技术非常有前途，但它们在从实验室转化为产品实现实际应用仍存在许多挑战。首先，应考虑选择合适的纳米材料，以保证具有高选择性和灵敏度的同时。其次，基于纳米材料的检测试剂的有效期限对其性能至关重要，所开发的纳米试剂应在常规温度下稳定数月以上。最后，考虑到成本效益指标在发展中国家的重要性，降低纳米材料试剂所需的成本将成为产品转化的关键点。

总而言之，尽管存在上述挑战，新兴纳米生物技术的优势将为开发符合“ASSURED”标准的STI即时检测带来新的希望。

论文信息：

Farokhzad N, Tao W*. Materials Chemistry-Enabled Platforms in Detecting Sexually Transmitted Infections: Progress towards Point-of-Care Tests. Trends in Chemistry (Cell Press) 2021, 3(7): 589-602.

https://www.cell.com/trends/chemistry/fulltext/S2589-5974(21)00077-0 

通讯作者简介：

陶伟，博士毕业于中国清华大学，现任美国哈佛大学医学院助理教授。研究方向主要是围绕药物载体和生物材料的研发及其广泛的生物医学应用（如mRNA/siRNA等核酸递送、肿瘤诊断治疗、心血管疾病、创伤愈合及组织再生、感染或炎症类疾病、糖尿病及其并发症等的治疗等）。陶博士团队研发的多种药物递送核心技术已获系统性的专利、具有良好的产业化背景。

近四年以第一作者以及通讯作者身份在Nature Reviews Materials, Nature Reviews Cardiology, Science Translational Medicine, Nature Biomedical Engineering, Matter (Cell Press), PNAS, Nature Communications, Science Advances, Trends in Chemistry (Cell Press), Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, Angewandte Chemie, Advanced Materials等期刊上发表论文50余篇，多数论文入选封面论文、Web of Science高被引论文或热点论文。

获得美国METAvivor青年研究员奖、美国心脏协会合作科学奖、哈佛大学医学院/布莱根妇女医院纳米医学研究中心基金、系基础科学基金、Khoury Innovation Award、Stepping Strong Breakthrough Innovator Award、哈佛大学医学院助理教授启动基金（Start-up Package）等项目资助。获评《麻省理工科技评论》中国35岁以下科技创新35人（TR35）、微软学术全球Top 5 Trending Authors in Nanotechnology以及Top Authors in Nanomedicine、Elsevier/Mendeley Data全球前2%顶尖科学家榜单（2019年度科学影响力排行榜）、Chemical Society Reviews（IF= 54.564）期刊Emerging Investigator、Materials Horizons（IF= 13.266）期刊Top 10 Outstanding Reviewers等奖项。同时，担任Springer Nature & BMC旗下期刊Journal of Nanobiotechnology（IF= 10.435）副主编，Wiley旗下期刊Exploration副主编，Bioactive Materials（IF= 14.593）、Nano-Micro Letters（IF= 16.419）、Matter（Cell Press, IF= 15.589）等期刊Editorial/Advisory委员会成员，Bioactive Materials (IF= 14.593)、Acta Pharmaceutica Sinica B (IF= 11.413)等期刊客座编辑。

课题组网页：

https://scholar.harvard.edu/wtao/openings

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