快来围观！Nature Biotechnology开发出可以诊断新冠病毒的口罩

可穿戴生物传感器能够快速、准确地检测 SARS-CoV-2 和许多其他病原体和毒素

　　

大多数人将“可穿戴”一词与健身追踪器、智能手表或无线耳塞联系在一起。但是，如果您可以在衣服中佩戴尖端生物技术，并且当您接触到危险物品时它可以警告您，那会怎样？

来自哈佛大学Wyss研究所和麻省理工学院的一组研究人员找到了一种将合成生物学反应嵌入织物的方法，创造了可定制的可穿戴生物传感器，可以检测病原体和毒素并提醒佩戴者。

该团队已将该技术集成到标准口罩中，用于检测患者呼吸中是否存在SARS-CoV-2病毒。按钮激活面罩可在90分钟内以与聚合酶链反应 (PCR) 等基于核酸的标准诊断测试相媲美的准确度给出结果。

这一成果发表在Nature Biotechnology杂志上。

“我们基本上将整个诊断实验室缩小成一个小型的、基于合成生物学的传感器，可与任何口罩配合使用，并将 PCR 测试的高精度与抗原测试的速度和低成本相结合，”文章一作Peter Nguyen 博士说，“除了口罩，我们的可编程生物传感器还可以集成到其他服装中，提供对危险物质的移动检测，包括病毒、细菌、毒素和化学制剂。”

无需活细胞

SARS-CoV-2 生物传感器是该团队对其可穿戴冷冻干燥无细胞 (wFDCF) 技术的三年工作的结晶，该技术建立在 Wyss实验室早期技术的基础上。该技术涉及提取和冷冻干燥细胞用于读取 DNA 并产生 RNA 和蛋白质的分子机制。这些生物元素在很长一段时间内都是稳定的，激活它们很简单：只需加水。可以添加合成遗传电路来创建生物传感器，该传感器可以响应目标分子的存在而产生可检测的信号。

研究人员首先将这项技术应用于诊断，将其集成到解决2015年寨卡病毒爆发的工具中。他们创造了生物传感器，可以检测病原体衍生的 RNA分子，并将它们与有色或荧光指示蛋白结合，然后嵌入遗传电路到纸上创建廉价、准确、便携的诊断工具。在成功将生物传感器嵌入纸张后，他们接下来将目光投向了可穿戴设备。

“其他团队已经创造了可以感知生物分子的可穿戴设备，但这些技术都需要将活细胞放入可穿戴设备本身，就像用户戴着一个小水族箱一样。如果那个水族箱坏了，那么工程错误可能会泄漏到可穿戴设备上佩戴者，没有人喜欢这个想法，” Nguyen说。他和他的队友开始研究他们的 wFDCF 技术是否可以解决这个问题，然后在 100多种不同种类的织物上进行测试。

然后，COVID-19疫情来袭。

从可穿戴设备转向口罩

“我们想为全球抗击病毒的努力做出贡献，我们提出了将 wFDCF 集成到口罩中，检测 SARS-CoV-2 的想法。从 2020 年 5 月开始，整个项目是在隔离或严格的社会隔离下完成的。我们努力工作，有时将非生物设备带回家并手动组装设备。这与我们习惯于工作的通常实验室基础设施绝对不同，但我们所做的一切都帮助我们确保传感器能够真正工作，”另外一位第一作者Luis Soenksen 博士说。

该团队呼吁他们在 Wyss 研究所获得的所有资源来创建COVID-19 检测口罩。最终产品由三种不同的冻干生物反应组成，通过按一下按钮从水库中释放水来依次激活这些反应。

第一个反应是切开 SARS-CoV-2 病毒的膜，暴露其 RNA。第二个反应是一个扩增步骤，从病毒 RNA 中生成大量 Spike编码基因的双链拷贝。最后的反应使用基于 CRISPR 的 SHERLOCK 技术来检测Spike 基因片段，作为响应，将探针分子切成两个较小的片段，然后通过侧向流检测条报告。是否有任何可切割的片段取决于患者呼吸中是否有 SARS-CoV-2。这种差异反映在设备读数部分出现的简单线条图案的变化上，类似于家庭妊娠试验。

wFDCF口罩是首个SARS-CoV-2核酸检测口罩，其准确率可与当前的金标准 RT-PCR 检测相媲美，同时在室温下完全运行，无需加热或冷却仪器，并允许快速筛查实验室外的患者样本。

“这项工作表明，我们的冷冻干燥、无细胞合成生物学技术可以扩展到可穿戴设备，并用于新的诊断应用，包括口罩诊断的开发。我对我们的团队在大流行期间如何团结在一起感到特别自豪！我们为解决世界上的一些测试挑战创建了可实现的解决方案，” Collins博士。

除了COVID-19疫情

口罩诊断在某些方面对团队来说是锦上添花，他们必须克服许多挑战才能使他们的技术真正可穿戴，包括在灵活、不显眼的设备中捕获液体物质的液滴并防止蒸发。口罩诊断省略了电子元件，有利于易于制造和低成本，但将更多的永久性元件集成到系统中开辟了广泛的其他可能应用。

在他们的论文中，研究人员证明，可以将光纤电缆网络集成到他们的 wFCDF 技术中，检测生物反应产生的荧光，从而高精度检测目标分子。这种数字信号可以发送到智能手机应用程序，让佩戴者能够监控他们接触大量物质的情况。

“这项技术可以被纳入研究危险材料或病原体的科学家的实验室外套，医生和护士的磨砂膏，或可能暴露于危险病原体或毒素（如神经毒气）的急救人员和军事人员的制服。”

该团队正在积极寻找有兴趣帮助大规模生产 COVID-19疫情期间使用的口罩诊断工具，以及检测其他生物和环境危害的制造合作伙伴。

“这个团队创造了一种有用的工具来对抗致命的流行病，这令人印象深刻。但更令人印象深刻的是，这些可穿戴生物传感器可以应用于除 SARS 之外的各种健康威胁。”

（生物通）

原文检索：

http://dx.doi.org/10.1038/s41587-021-00950-3

Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection