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同济大学方寅团队开发生物电子口罩,10分钟内检出空气中的病毒

来源:生物世界 2022-09-23 09:39

该研究开发了一种可穿戴生物电子口罩,可以快速、灵敏检测空气中飞沫或气溶胶中常见的呼吸道病毒(包括流感病毒和新冠病毒)。如果佩戴该口罩者周围空气中存在目标病毒,它可以在10分钟内通过移动设备提醒佩戴者。

在日常生活中,提到“可穿戴设备”一词,大家想到的往往是智能手表、手环、无线耳机等等。自新冠大流行以来,佩戴口罩已经成为很多人日常生活的一部分,口罩能够隔绝病原体,大大降低疾病感染和传播的风险。那么,这种日常本就穿戴的口罩,可否开发成一种智能化可穿戴设备,实现更丰富的功能呢?

2022年9月19日,同济大学医学院生物医学工程与纳米科学研究院方寅教授团队在 Cell 子刊 Matter 上发表了题为:Wearable bioelectronic masks for wireless detection of respiratory infectious diseases by gaseous media 的研究论文。

该研究开发了一种可穿戴生物电子口罩,可以快速、灵敏检测空气中飞沫或气溶胶中常见的呼吸道病毒(包括流感病毒和新冠病毒)。如果佩戴该口罩者周围空气中存在目标病毒,它可以在10分钟内通过移动设备提醒佩戴者。

引起 COVID-19 和甲型 H1N1 流感的呼吸道病毒通过感染者说话、咳嗽和打喷嚏时释放的飞沫和气溶胶传播。这些感染者传播出来的含有病毒的飞沫,尤其是微小的气溶胶,可以长期悬浮在空气中。

论文通讯作者方寅教授表示,戴口罩可以降低传播和感染疾病的风险,自己的团队想制造一种可以检测空气中是否存在病毒且能够及时提醒佩戴者的口罩。

在这项最新研究中,研究团队开发了一款带有适配体(Aptamer)的小型传感器,适配体像抗体一样,能够特异性识别病原体的特有蛋白质。在概念验证设计中,研究团队团队用三种适配体修改了多通道传感器,可以同时识别 SARS-CoV-2、H5N1 和 H1N1 三种呼吸道病毒上的表面蛋白。

研究团队在一个封闭的房间里对该口罩进行了测试,在口罩上方喷洒含有病毒表面蛋白的微量液体和气溶胶。结果显示,口罩上的传感器对低至0.3微升(万分之三毫升)的含有病毒蛋白的液体做出反应,这一体积是打喷嚏产生的液体体积的数百分之一,也远低于咳嗽或说话时产生的液体。该口罩还能检出超低浓度(0.1fg/mL,即1ml空气中的1000万亿分之一克)的气体介质样本。

 

一旦传感器中的适配体与空气中的病毒的目标蛋白质结合,传感器连接的离子门控晶体管将放大信号并通过手机提醒佩戴者,10分钟内就能够快速响应。

 

方寅教授表示,这种口罩在通风不良的空间(例如电梯或封闭房间)中非常有效,而这种空间本身就是感染高发的地方。而将来如果发现新的呼吸道病毒,还可以快速更新传感器设计以检测新的病原体。

据悉,研究团队接下来的计划是通过优化传感器的聚合物以及晶体管的设计来进一步缩短检测时间、提高检测灵敏度。方寅团队还致力于开发各种评估包括癌症和心血管疾病在内的健康状况的可穿戴设备。

方寅教授认为,目前医生在诊断和治疗疾病时非常依赖经验,但随着可穿戴设备手机的数据越来越丰富,疾病的诊断和治疗可以变得更加精确。

总的来说,该研究开发了一种生物电子口罩,具有低检出限(0.1fg/mL)、快速响应(10min)、多通道分析等优势,因此可作为各种呼吸道传染病的多功能检测平台。通过与物联网技术融合,可以实现对周围空气的实时现场检测。这种可穿戴生物电子口罩有望作为预防呼吸道传染病爆发的预警系统。

值得一提的是,2021年6月,哈佛大学的 James Collins 团队在 Nature Biotechnology 期刊发表论文,开发了一种基于 CRISPR 技术的可穿戴的合成生物学生物传感器,用以检测环境中的病原体和毒素,并通过发出荧光警告穿戴者。


而且,研究团队还将这一技术集成到了标准口罩中,以检测患者呼吸中,以及空气中是否存在新冠病毒(SARS-CoV-2)。使用者可以通过按钮激活口罩中的检测系统,并在90分钟内提供与当前标准核酸诊断测试相媲美的检测结果。

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