基于免疫應(yīng)答水凝膠的調(diào)制諧振傳感器，用于呼吸道病毒的快速檢測(cè)

傳染性呼吸道病毒的季節(jié)性爆發(fā)，會(huì)給公共衛(wèi)生保健帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)快速、準(zhǔn)確、低成本的工具來(lái)診斷是否感染傳染性呼吸道病毒，一直是疫情防控的優(yōu)先事項(xiàng)之一。而水凝膠作為一種制作簡(jiǎn)單、成本低廉的材料，在該領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒氣溶膠快速、靈敏的免疫傳感，浙江大學(xué)劉清君教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地開發(fā)了一種免疫應(yīng)答水凝膠調(diào)制諧振（ImmHR）傳感器。該傳感器所用的免疫應(yīng)答水凝膠，主體為聚丙烯酰胺（AAm）網(wǎng)絡(luò)和抗體修飾的金納米顆粒（AuNPs-Ab）。研究人員以SARS-CoV-2、甲型H1N1流感和RSV三種病毒為例，驗(yàn)證了該器件的高靈敏度和準(zhǔn)確性，為傳染性呼吸系統(tǒng)疾病的生物傳感和診斷提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和通用的平臺(tái)。相關(guān)研究成果近期以“Rapid and on-site wireless immunoassay of respiratory virus aerosols via hydrogel-modulated resonators”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊上。

無(wú)線免疫分析技術(shù)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的無(wú)線免疫分析平臺(tái)由ImmHR傳感器和射頻讀出線圈組成。為了檢測(cè)來(lái)自呼吸道的各種樣本（唾液、氣溶膠等），傳感器將免疫應(yīng)答水凝膠和一對(duì)射頻諧振器耦合在一起，形成在免疫反應(yīng)時(shí)可調(diào)諧的諧振結(jié)構(gòu)，將目標(biāo)抗原的刺激反應(yīng)轉(zhuǎn)化為諧振頻率的變化。此外，競(jìng)爭(zhēng)性抗原結(jié)合進(jìn)一步導(dǎo)致AuNPs聚集，使得藍(lán)色水凝膠逐漸褪色，從而適配于比色測(cè)定。

圖1 用于病毒氣溶膠檢測(cè)的無(wú)線免疫分析

水凝膠形成及成分優(yōu)化

團(tuán)隊(duì)以SARS-CoV-2核衣殼蛋白（NP）和相應(yīng)抗體為模型抗原和抗體制備免疫應(yīng)答水凝膠。由于免疫交聯(lián)的破壞，病毒抗原和AuNPs-Ab之間進(jìn)一步的競(jìng)爭(zhēng)性免疫結(jié)合引發(fā)了強(qiáng)烈的水凝膠膨脹。另外，水凝膠對(duì)病毒抗原的比色測(cè)定，在5~10分鐘內(nèi)就可以測(cè)量到明顯的顏色信號(hào)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)使用醫(yī)用級(jí)霧化器產(chǎn)生<5 μm氣溶膠顆粒，模擬類似于人類自然呼吸產(chǎn)生的氣溶膠顆粒，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合溶液和氣溶膠兩種環(huán)境的傳感曲線。

圖2 免疫應(yīng)答水凝膠的形成和優(yōu)化后的免疫應(yīng)答

ImmHR傳感器無(wú)線氣溶膠探測(cè)

由于水凝膠介電層的厚度可對(duì)諧振頻率偏移（ΔFres）進(jìn)行調(diào)制，研究進(jìn)一步通過(guò)中介線圈（IR）來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與讀出線圈之間的耦合，從而降低讀出線圈相對(duì)位移對(duì)結(jié)果的影響。通過(guò)擬合傳感器對(duì)梯度濃度的病毒抗原蛋白氣溶膠的響應(yīng)，計(jì)算得到的傳感器檢測(cè)限低fg/L乃至亞fg/L，從而實(shí)現(xiàn)了超靈敏的病毒氣溶膠檢測(cè)。此外，ImmHR傳感器還能兼容溫度響應(yīng)水凝膠構(gòu)建物理傳感器，從而對(duì)呼出氣溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 基于ImmHR傳感器的氣溶膠檢測(cè)

可穿戴集成和多路讀出

ImmHR傳感器具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、完全無(wú)線和無(wú)電池配置等優(yōu)點(diǎn)。因此，微型化和輕量化的ImmHR傳感器陣列可以固定在并聯(lián)的中介線圈上，并粘附在口罩表面，用于可穿戴式氣溶膠檢測(cè)。這種可穿戴傳感器的配置與共享探測(cè)器（連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的讀取線圈）無(wú)線耦合，可廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)免疫診斷，例如在進(jìn)入工作場(chǎng)所的大門等位置進(jìn)行社區(qū)感染監(jiān)測(cè)。

圖4 中介線圈介導(dǎo)的多路復(fù)用傳感器讀數(shù)

通過(guò)無(wú)線免疫分析法進(jìn)行臨床樣品檢測(cè)

為了評(píng)估基于ImmHR的無(wú)線免疫測(cè)定技術(shù)用于臨床樣本檢測(cè)的可行性，團(tuán)隊(duì)收集了40名患者和20名健康志愿者的鼻咽拭子和唾液樣本。統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步證明傳感器對(duì)H1N1陽(yáng)性樣本與陰性樣本產(chǎn)生的信號(hào)具有顯著差異，證明了該方法診斷病毒感染的潛力。與最近報(bào)道的快速和敏感免疫測(cè)定法的進(jìn)展相比，基于ImmHR傳感器的無(wú)線免疫分析具有快速檢測(cè)，靈敏度高，設(shè)備配置方便，兼容可穿戴集成等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 甲型H1N1流感臨床樣本檢測(cè)結(jié)果

綜上所述，該研究展示了一種無(wú)線免疫分析技術(shù)，通過(guò)替換抗原/抗體識(shí)別元件來(lái)檢測(cè)氣溶膠中的SARS-CoV-2、H1N1和RSV病毒抗原，這些識(shí)別元件的響應(yīng)時(shí)間均控制在10分鐘左右。因此，無(wú)線免疫測(cè)定技術(shù)不僅可以作為一個(gè)多功能的免疫傳感平臺(tái)來(lái)捕獲和量化病毒蛋白生物標(biāo)志物，而且還可以檢測(cè)各種生物體液中其他重要但低豐度的蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物（汗液中的炎癥生物標(biāo)志物、傷口滲出液或間質(zhì)液中的細(xì)胞因子和血漿中的外泌體等）。此外，從豐富的聚合物和生物識(shí)別元件（適配體、DNA或CRISPR工具）中尋找材料對(duì)生物反應(yīng)性水凝膠進(jìn)行關(guān)鍵調(diào)整，也可以包括可檢測(cè)分析物中的代謝物和核酸。此外，將不同類型的生物識(shí)別元素組合在一組ImmHR傳感器內(nèi)，或在一個(gè)傳感器內(nèi)合理地空間分布，有望大大提高生物標(biāo)志物檢測(cè)和疾病診斷（傳染病和癌癥等）的準(zhǔn)確性。

浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院劉清君教授為該論文通訊作者，博士后李鑫為第一作者。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及國(guó)家博士后基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48294-1

審核編輯：劉清