用于检测COVID-19的生物传感器的开发

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1 伊朗马什哈德Mashhad医科大学医学院微生物与病毒学系。

2 伊朗马什哈德马什哈德医科大学抗菌素耐药性研究中心。

3 伊朗马什哈德Mashhad医科大学学生研究委员会。

4 伊朗马什哈德马什哈德医科大学医学院医学生物技术和纳米技术系。

5 伊朗马什哈德Mashhad医科大学附属医学学院实验室科学系。

6 伊朗马什哈德,马什哈德医科大学医学毒理学研究中心。

抽象

由于SARS-CoV-2是冠状病毒的新成员,于2019年12月下旬出现,目前世界正面临着COVID-19大流行的挑战。该疾病的快速传播使其成为全球关注的问题,引起了全球关注。由于目前还没有有希望的治疗方法或特定疫苗,因此控制大流行的最重要关键是早期诊断。相应地,执行诊断测试可加快案例检测的速度,并防止进一步的传播。当前可用的测试,例如定量实时聚合酶链反应,存在一些局限性。因此,应该开发新的策略来准确,快速地检测威胁生命的疾病COVID-19。生物传感是用于SARS-CoV-2检测的新颖方法之一,具有快速,早期诊断以控制这种大流行的潜力。 核糖核酸 ,抗原和抗体是COVID-19生物传感器的主要目标。尽管对COVID-19生物传感策略的研究报道有限,但本综述总结了该领域的最新进展。

关键词


介绍

病毒感染是全世界主要的死亡原因之一。 2019年12月,一种新的冠状病毒在中国(湖北省武汉市)突然爆发了一种疾病,该病毒被提名为2019年的冠状病毒病或COVID-19。根据分类和系统发育,它也被称为重症急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2),因为它与冠状病毒的其他成员包括SARS-CoV和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)具有高度的基因组相似性[1]。随着人与人之间传播的增加,世界卫生组织(WHO)将COVID-19描述为大流行和突发公共卫生事件[2,3]。根据世界卫生组织的最新报告,COVID-19已在世界范围内传播,确诊病例为82,579,768,其中2的死亡人数为1,818,849 nd  January 2021.

新冠肺炎 感染是通过将突突蛋白(S)识别并附着到血管紧张素转化酶2(ACE2)宿主受体上而开始进入病毒的。病毒膜融合后,进入发生,病毒抗原刺激体液(IgG,IgM和IgA)以及细胞免疫[2]。

SARS-CoV-2的潜伏期为2–7天,目前主要具有传染性和无症状。发烧,头痛,干咳和疲劳是COVID-19的主要症状[3]。由于无症状携带者的存在,症状可能不是确定性的[4]。因此,应开发具有高灵敏度和特异性的诊断方法,以区分COVID-19病例与健康病例或其他呼吸道病毒感染。

诊断

当前用于检测SARS-CoV-2基因组RNA的金标准方法是定量实时聚合酶链反应(qRT-PCR)。这种方法很耗时,需要专门的设备和实验室,并且可能会产生假阳性结果。还可以使用血清学检测来检测抗体/抗原的存在,以显示过去或新的感染。 RT-PCR和抗体检测方法都有局限性[5]。为了控制COVID-19的流行,迫切需要开发新颖的检测方法,从而可以快速,可靠地诊断COVID-19。基于纳米技术的测定法已作为一种创新方法出现,可用于监测SARS-CoV-2的存在[6,7]。

生物传感器可以以经济有效的方式通过早期,快速,灵敏和准确的疾病诊断提供潜在的替代方法[8]。生物传感器是用于检测诸如微生物或生物分子的生物分析物的装置。生物传感器包括三个部分:1.靶标可以是RNA,抗原或抗体。 2.通过受体,核酸探针,适体和抗体的识别方法。 3.一种转导系统,例如电化学,表面等离振子共振,光学和比色系统,可捕获信号以进行进一步的放大和分析[9]。

新冠肺炎 提供两种主要的即时检验:抗体和核酸检测。需要基于核酸的测试来在感染的早期或症状出现之前检测病毒。虽然抗体测试可以’由于病毒会在初次感染后约五天触发免疫反应产生抗体[10],因此可用于早期阶段[10]。

生物标记

新冠肺炎 的潜在诊断方法可以分为三大类:RNA,抗原和抗体。为了检测病毒RNA,可以从基因组的任何部分选择靶标。此外,刺突(S),核衣壳(N),包膜(E)和膜(M)蛋白以及蛋白酶是检测的目标候选对象[9]。结构蛋白及其作用如图1所示。表1总结了已报告的SARS-CoV-2诊断生物传感检测方法。

核糖核酸

Qiu等人构建了一种新型的双功能等离子体生物传感器。结合局部表面等离子体共振(LSPR)和等离子体光热(PPT)效应检测SARS-CoV-2 核糖核酸 ,以增强信号。 SARS-CoV-2的互补cDNA序列用于功能化金纳米岛(AuNIs),作为通过核酸杂交进行灵敏检测的受体。已开发的双功能LSPR生物传感器对RNA依赖性RNA聚合酶基因(RdRp)的检测非常敏感,检测限为0.22 pM [11]。

Zhao等人制造了使用杯芳烃官能化氧化石墨烯的电化学生物传感器。用于通过RNA检测进行SARS-CoV-2即时护理测试。设计的生物传感器的LOD为200拷贝/ mL,并且在 <10 使用智能手机。这种超灵敏,快速且简便的方法为COVID-19管理提供了一种潜在的方法[12]。

比色测定法由Moitra等人开发。其中AuNP被SARS-CoV-2特异的巯基修饰的DNA反义寡核苷酸(ASO)封端 核衣壳蛋白(N)。在提取的RNA存在下,巯基修饰的ASO封端的AuNPs以Au-ASO-RNA形式团聚,并观察到肉眼可见的沉淀物,从而改变了悬浮液的颜色。在10分钟内检测到COVID-19阳性病例,LOD为0.18 ng /μL [13].

朱等人设计了一种测定法。使用多重逆转录环介导的等温扩增(mRT-LAMP)以及基于NP的侧向流生物传感器(LFB)进行COVID-19诊断。设计的mRT-LAMP-LFB测试可在一小时内同时检测N(核蛋白)和ORF1ab基因(开放阅读框1a / b),而无需复杂的设备。 mRT-LAMP-LFB检测显示出100%的分析灵敏度和特异性,LOD为12个靶标。该方法是一种可靠且灵敏的控制大流行的诊断方法,特别是在资源有限的环境中[7]。

Li等人设计了一种基于纳米粒子的生物传感(BS)方法(RT-MCDA-BS)的逆转录多重交叉置换扩增(RT-MCDA)。用于快速检测COVID-19。核蛋白基因(N)和F1ab是可以同时检测到的研究目标。 RT-MCDA-BS诊断测定可在一小时内完成,并具有5​​个靶序列副本的LOD,且准确性很高(图2)。由于低成本,可行性和快速性,该测定法可能是理想的方法,尤其是在资源有限的环境中[14]。

抗原

Seo等人制造了基于场效应晶体管(FET)的生物传感器。用于SARS-CoV-2抗原检测。 Spike(S)-蛋白特异性抗体用于功能化石墨烯片。 FET设备在磷酸盐缓冲液中检测到浓度为1 fg / mL(LOD)的刺突蛋白。研发的生物传感器显示出对COVID-19诊断的高灵敏度,无需样品预处理[15]。

Mahari等人开发了一种名为eCovSens的电化学生物传感器。用于COVID-19加标抗原检测。 使用丝网印刷的碳电极(SPCE)固定COVID-19单克隆抗体。便携式 eCovSens对抗原的检测具有很高的灵敏度,在缓冲液中LOD为10 fM,在唾液中LOD为90 fM。所制造的设备是一种非侵入性的诊断工具,因为它可用于患者的唾液,并能在10-30秒内快速检测出抗原[16]。

Mavrikou等人报道了一种新型的生物传感器。用于检测膜工程Vero / anti-S1细胞(S1抗体)的SARS-CoV-2 S1穗表面蛋白。蛋白质与抗体的附着在测得的生物电特性方面发生了重大变化。设计的生物传感器显示出快速响应(需要3分钟),范围为10 fg-1µg / mL,LOD为1 fg / mL,无交叉反应。它被引入用于控制和监测COVID-19大流行[17]。

抗体

Li等。基于AuNPs与人血清IgG / IgM抗体的结合,开发了一种SARS-CoV-2的胶体金免疫层析法(GICA)。在这种侧向流免疫测定中,固定了抗人IgG和IgM以及对照抗兔IgG。如果患者血清中含有IgM和/或IgG,则人IgM / IgG与与S蛋白抗原缀合的AuNPs反应并与固定的抗免疫球蛋白相互作用,在特定谱线上产生红色。有或没有阳性IgG的阳性IgM表示急性感染,而阳性IgG,阴性IgM表示晚期感染和慢性感染。开发了这种简单而快速的测定方法来检测血液中针对COVID-19的人抗体[18]。

Zeng等人的研究也使用了AuNPs标记的抗SARS-CoV-2 S蛋白抗体。与IgM-IgG免疫色谱分析结合使用。在15分钟内在血液样本中检测到IgG和IgM抗体,灵敏度和特异性分别为85.29%和100%。由于不需要专门的设备和实验室,该方法建议用于无症状和有症状个体的筛查[19]。

Chen等。他开发了一种掺有镧系元素的聚苯乙烯纳米颗粒(LNP)的侧向流免疫分析(LFIA),用于检测人血清中的抗COVID-19 IgG。将SARS-CoV-2核蛋白包被在膜上,以与特异性IgG反应,并使用LNP标记抗人IgG。报道的测定显示出灵敏且快速的抗SARS-CoV-2 IgG检测,推荐用于筛查和监测感染进展[20]。

总结和未来展望

随着COVID-19爆发作为全球性健康危机的出现,迫切需要开发高度敏感和快速的诊断测试。由于具有良好的特异性,敏感性和响应时间,生物传感方法已在检测其他病毒方面获得了许多改进。生物传感器通常基于病毒表面蛋白和遗传物质。尽管生物传感方法是很有前途的诊断工具,但就固定化方法,寿命,敏感性和特异性而言,它们的即时诊疗方法仍具有很大的挑战性。这篇综述总结了在COVID-19大流行中用于检测SARS-CoV-2的最新生物传感方法。由于对SARS-CoV-2进行的生物传感研究很少,因此在应对这一大流行方面应在该领域取得更多进展。

利益冲突

没有。

 

 
7.朱X,王X,韩L,陈T,王L,李H,李S,贺L,付X,陈S,邢M,陈H,王Y。多重逆转录环介导的等温扩增结合基于纳米颗粒的侧向流生物传感器用于诊断COVID-19。 Biosens生物电子, 2020;166:112437.
9.梁康辉,张天健,王明林,蔡PH,林浩明,王春涛,杨德美。用于检测冠状病毒感染和严重急性呼吸系统综合症冠状病毒的新型生物传感器平台。2.中国医学会杂志, 2020;83 (8):701-703.
10. Thevarajan I,Nguyen TH,Koutsakos M,Druce J,Caly L,van de Sandt CE,Jia X,Nicholson S,Caton M,CowieB。患者康复前伴随的免疫反应广度:非严重的COVID-19。自然医学, 2020;26 (4):453-455.