在BSL-1等级条件下评估材料抗病毒性能的方法

《Materials Today Advances》：Method for evaluating the antiviral properties of materials under BSL-1 conditions

　　

尽管全球对抗病毒材料的需求日益紧迫，但其开发和筛选受到高生物安全设施要求的限制。研究人员在此提出一种基于替代病毒的测试方法，能够在生物安全1级（BSL-1）条件下筛选抗病毒材料，该方法使用有包膜噬菌体phi 6和无包膜噬菌体MS2，分别作为高致病性有包膜严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2，BSL-3）和无包膜肠道病毒71型（EV71，BSL-2）的替代模型。虽然研究人员所在团队此前已报道过噬菌体phi 6与SARS-CoV-2之间的关系，但本文首次在材料层面验证了噬菌体MS2作为肠道病毒EV71替代模型的有效性，并将两种模型整合为一个统一的广谱抗病毒筛选方法。通过统计相关性及回归分析，对研究人员团队先前表征的六种代表性材料进行验证，揭示了在材料层面，替代病毒与致病病毒之间存在正单调关系和预测趋势。该方法能够对抗病毒材料进行可重复、定量且可规模化的筛选，同时加速发现进程，并大幅降低成本、时间和生物危害废物。本文提供了详细的分步操作方案（包括辅助教学视频），以促进该方法在世界各地的材料测试实验室（无论其生物安全能力如何）得到采用和推广。

这篇发表在《Materials Today Advances》上的研究论文，题为《在BSL-1条件下评估材料抗病毒性能的方法》，旨在解决当前抗病毒材料开发中的一个核心瓶颈：对高致病性人类病毒（如SARS-CoV-2，需BSL-3条件）进行测试，要求极高的生物安全设施、高昂的成本和复杂的操作，严重限制了新材料的大规模筛选与研发进程。尽管学界已广泛使用替代病毒（如噬菌体）进行抗病毒测试，但缺乏一种经过系统性验证、能够同时针对有包膜和无包膜两类病毒进行广谱抗病毒材料评估的统一方法。为此，研究人员提出并验证了一种在生物安全1级（BSL-1）条件下的标准化测试方法。该方法创新性地使用有包膜噬菌体phi 6和无包膜噬菌体MS2作为替代模型，分别对应高致病性的有包膜SARS-CoV-2（BSL-3）和无包膜肠道病毒EV71（BSL-2）。通过对六种具有不同物理化学特性的代表性材料（包括多孔和非多孔聚合物、水凝胶以及经过生物活性或化学修饰的表面）进行测试，并结合统计相关性分析，本研究首次在材料层面系统验证了这两种噬菌体作为人类致病病毒模型的有效性，证实了它们之间的正相关预测趋势。该方法极大地降低了抗病毒材料研发的成本、时间和技术门槛，为加速广谱抗病毒材料的发现提供了一种安全、经济、可重复且可规模化的标准平台，具有重要的应用价值和推广前景。

研究人员为开展此项研究主要运用了以下几项关键技术方法。首先，构建了包含两种噬菌体（phi 6, DSM 21518 和 MS2, DSM 13767）及其各自宿主细菌（Pseudomonas syringae, DSM 21482 和 Escherichia coli, DSM 5695）的BSL-1测试体系。其次，采用了双层平板噬菌斑分析法（double-layer plaque assay method）来量化病毒感染性滴度（PFU/mL），该方法通过将样品与宿主菌和顶层琼脂混合后铺板，计数噬菌斑来评估抗病毒效果。用于验证MS2模型的肠道病毒EV71（ATCC VR-1432）则是在LLC-MK2衍生细胞中扩增，并通过半数组织培养感染剂量（TCID₅₀）测定法评估其感染性。最后，为验证替代模型的有效性，采用Spearman秩相关系数（ρ）和Pearson相关系数（r）进行统计相关性分析，并进行了简单线性回归，以量化替代病毒与人类致病病毒在材料抗病毒活性间的预测关系。

在结果部分，研究人员通过系统实验和统计分析，得出以下结论：

3.1. 案例研究与数据展示：以有包膜phi 6和无包膜MS2噬菌体为模型，展示了代表性生物活性材料（电纺聚酯/生物活性提取物）的抗病毒测试结果。结果显示，该材料在BSL-1条件下对phi 6在接触1分钟内即达到≥99.14%的病毒灭活率，而对MS2在接触24小时后达到≥99.99%的灭活率，表明无包膜病毒（MS2）比有包膜病毒（phi 6）更难被灭活。通过单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验，证实了该材料与阳性对照和阴性对照之间的抗病毒活性存在统计学显著差异（p < 0.0001）。

3.2. 噬菌体phi 6和MS2作为人类致病病毒替代模型的验证：本研究首次对六种不同材料（图1）进行了综合验证。通过对比BSL-1条件下噬菌体phi 6/MS2与BSL-3/BSL-2条件下SARS-CoV-2/EV71的抗病毒数据（表2），揭示了以下关系：
- 对于phi 6与SARS-CoV-2这对模型，Spearman秩相关系数ρ = 0.60，线性回归斜率β1 = 0.29（Pearson r = 0.56；r² = 0.31），表明两者之间存在正单调关系。即，对phi 6抗病毒活性高的材料，往往也对SARS-CoV-2具有较高活性。
- 对于MS2与EV71这对模型，相关性更强：Spearman ρ = 0.76，线性回归斜率β1 = 0.11（Pearson r = 0.96；r² = 0.92；p = 0.0027），显示出高度显著且稳健的预测性关系。表明材料对MS2的抗病毒效能与对EV71的相对性能高度相关。此外，研究还发现海藻酸钙水凝胶对phi 6和SARS-CoV-2有效，但对MS2和EV71无效，这证实了材料对有无包膜病毒具有选择性灭活能力，而该方法能够准确捕捉到这种特性。

在讨论部分，研究人员强调了尽管替代病毒与目标人类病毒在绝对灭活率上可能存在数值差异，但该方法的核心价值在于作为初步筛选工具，能够准确预测材料对特定类别病毒的相对效能。通过该方法筛选出的高活性材料，可作为优先候选物，再进行针对目标病原体的高等级生物安全验证。最终，研究结论总结道：在BSL-1条件下，使用有包膜phi 6和无包膜MS2噬菌体进行材料抗病毒测试，能够分别有效替代对BSL-3级SARS-CoV-2和BSL-2级肠道病毒EV71的测试。统计分析支持了这一方法的有效性，表明其是一个安全、高效、低成本的抗病毒材料快速筛选平台，能够加速相关材料在个人防护装备、医疗器械、伤口敷料、过滤系统等领域的研发与应用。