Sensors | 新型冠状病毒感染有望实现快速初筛—基于细胞工程技术的便携式生物传感器

最近爆发的严重急性呼吸系统综合症由冠状病毒2 (SARS-CoV-2)引起，该病毒感染力强，传播速度快，给疫情防控带来很大困难。为了有效防控疫情，除了准确地诊断出感染者并采取隔离措施来预防传播外，研制出快速且有效地可实现大规模初筛的检测工具也是迫在眉睫。针对这一情况，一些现场快速检测冠状病毒的方法应运而生：分子测试法和核酸检测法。前者灵敏度高，但由于其耗时长，且需要在专业的实验室进行，因此无法实现高通量的检测。后者虽然成本低，速度快，但是灵敏度较差。

雅典农业大学生物技术实验室的Spyridon Kintzio教授及其团队成员在Sensors期刊发表了一篇文章，该文章基于Vero细胞膜工程技术，研发出一种超快速，超灵敏地可直接检测出SARS-CoV-2 S1刺突蛋白的便携式生物传感器。该检测方法将人嵌合anti-S1抗体与Vero细胞电融合形成Vero/ anti-S1细胞，并利用SARS-CoV-2 S1刺突蛋白与互补抗体进行结合，以此产生细胞生物电特性变化，通过生物电识别分析 (Bioelectric Recognition Assay，BERA) 实现对冠状病毒的快速且准确地检测。此外，他们还将这种检测方法与定制的便携式读出设备结合在一起，通过智能手机/平板电脑进行检测，用于大规模筛选SARS-CoV2表面抗原。该检测方法3分钟内可出检测结果，检测限为1 fg/mL，检测范围为10 fg/mL~1μg/mL，具有灵敏度高，检测速度快，直接检测病毒且无需预先进行样品处理等优点，可对控制冠状病毒传播起到一定作用。

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实验过程

文章中所提出的检测方法，如下所示：

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在预先制备好的一次性传感器条上覆盖一层二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane, PDMS) 微通道；

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借助多通道自动移液器将Vero/ anti-S1细胞添加到PDMS微通道的孔中(每个一次性传感器条中包含八个金丝网印刷电极)；

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在八个检测孔中添加20 μL样品(SARS-CoV-2 S1 Spike蛋白的标准溶液或作为对照组的SARS-CoV-2核衣壳蛋白)，通过定制的便携式电位计装置记录八个检测孔对应的丝网印刷电极的电位变化；

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最后将该装置连接到电脑或平板上读取结果。

研究人员还针对S1抗体的浓度和样品的检测范围进行了优化实验，以及对SARS-CoV-2 核衣壳蛋白的交叉实验，提高了该检测方法在实际检测中的灵敏度和准确性。

基于Vero/ anti-S1细胞的生物传感器快速检测SARS-CoV-2 S1刺突蛋白示意图

(A)人嵌合anti-S1抗体和Vero细胞电融合形成Vero/ anti-S1细胞；

(B)覆盖了PDMS微通道的八通道金丝网印刷电极传感器；

(C) 在检测孔中加入样品后，便携式电位计装置连接到平板设备读出结果。

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实验结果

实验结果显示，利用本文中的生物传感器，我们仅需3分钟便能够检测出不同的S1刺突蛋白浓度(包括对照组)，检测限可达到1fg/mL，检测范围为10 fg/mL~1μg/mL，实现了S1刺突蛋白含量的快速检测。而且由于该生物传感器是一种便携式，高通量和低成本的检测系统，检测中用到的电位计装置和相关耗材均可大规模生产制备，待检品也可来自于患者唾液等易获取的样品中，可用于防疫一线大规模筛检冠状病毒抗原。

本生物传感器若大规模应用于现场检测时，会产生一个最关键的问题——传感器条上的细胞活力会随着时间变化而降低。因此，研究人员提出了各种方法来克服此限制，包括在生物传感平台中使用微流控芯片或独特的细胞类型(比如，鱼鳃)。基于研究人员过去对膜工程化细胞的研究和本研究的结果，能够确定细胞活力和生物传感器响应能力在电融合后至少三天是保持不变的。就目前而言，在生产制造该传感器的城市/地区，可使用传感器对人们进行大规模筛选检测，同时也适用于其他地区的可控环境中(例如，诊断实验室)。熟练的技术人员每天至少可以生产45 × 106个膜工程细胞，对应可进行100多次测试(包括阴性和阳性对照)。

本文是对该新型生物传感器检测SARS CoV-2 S1刺突蛋白的实验证明。下一步将会对患者样品进行实际的临床验证，并与当前的血清检测和分子检测方法进行比较。研究人员还计划通过以下两个方面对实验进行优化：

• 扩大膜工程化的细胞系的数量；

• 进一步研究该传感器的交叉反应和特异性，特别是针对其他冠状病毒的S蛋白。

最后，研究人员将通过嵌入式软件来改善读出设备的界面，将其作为一个功能性决策支持工具，直接将最终结果呈现给用户。

Sensors (ISSN 1424-8220, IF: 3.031) 于2001年创刊，作为一个国际型开放获取期刊，主要刊载传感器科学和技术研究领域的学术文章。Sensors 采取单盲同行评审，一审周期约为17.9天，文章从接收到发表仅需2.6天。

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Mavrikou, S.; Moschopoulou, G.; Tsekouras, V.; Kintzios, S. Development of a Portable, Ultra-Rapid and Ultra-Sensitive Cell-Based Biosensor for the Direct Detection of the SARS-CoV-2 S1 Spike Protein Antigen. Sensors 2020, 20, 3121.

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*翻译作者：Zoe Wang

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责撰写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：

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