华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员开发出一种快速便携的生物传感器，可实时检测空气中传播的 H5N1 病毒，帮助农民和卫生官员更有效地应对疫情。该设备改进了缓慢的传统检测方法，可在五分钟内提供结果，并可用于检测其他病毒和细菌。
华盛顿大学研制出一种新型生物传感器，可在五分钟内检测出空气中的 H5N1 病毒，为控制疫情提供了更快、更有效的工具。
随着高致病性 H5N1 禽流感继续在美国蔓延，对奶牛场和家禽养殖场构成严重威胁，农民和公共卫生专家都需要更有效的实时方法来监测感染、降低风险并应对疫情。得益于华盛顿大学圣路易斯分校在《ACS Sensors》杂志关于“呼吸感应”的特刊上发表的研究，病毒追踪器现在有办法检测 H5N1 的气溶胶颗粒。
为了开发禽流感传感器，华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源、环境和化学工程教授 Rajan Chakrabarty 实验室的研究人员利用电化学电容生物传感器来提高病毒和细菌检测的速度和灵敏度。
他们的工作时机至关重要，因为禽流感病毒在过去一年中发生了危险的转变，通过空气中的颗粒传播给哺乳动物，包括人类。这种病毒已被证明对猫是致命的，而且至少有一例人类死于 H5N1 病毒。
Chakrabarty 在谈到用于检测空气中病毒和细菌颗粒的技术时表示：“这种生物传感器是同类产品中的首创。”此前，科学家们不得不使用速度较慢的聚合酶链式反应DNA工具检测方法。
快速检测，立即响应Chakrabarty 指出，传统的检测方法可能需要 10 多个小时，“对于阻止疫情爆发来说时间太长了”。
新的生物传感器可在五分钟内工作，保存微生物样本以供进一步分析，并提供农场检测到的病原体浓度范围。Chakrabarty 表示，这可以立即采取行动。
预防病毒爆发，时间至关重要。当实验室开始进行这项研究时，H5N1 病毒只能通过与受感染的鸟类接触传播。
“随着这篇论文的演变，病毒也在演变；它发生了变异，”Chakrabarty 说。
（顺时针）合著者 Joseph Puthuserry、Yuezhi August Li、Joshin Kumar、Shu-Wen You 和 Rajan Chakrabarty 教授站在他们开发的集成式 H5N1 采样传感装置旁。图片来源：AIR 实验室
美国通过美国农业部动植物卫生检验局（APHIS）跟踪动物健康和农场病原体的爆发情况，该局最新报告称，在过去 30 天内，四个州（主要在加利福尼亚州）至少出现了 35 例奶牛 H5N1 病毒新病例。
Chakrabarty 说：“这次的病毒株非常不同。”
如果农民怀疑动物患病，他们可以将动物送到州农业部实验室进行检测。然而，这是一个缓慢的过程，由于 H5N1 病毒席卷家禽和奶牛场，病例积压，检测过程可能会进一步推迟。缓解措施包括生物安全措施，如隔离动物、对设施和设备进行消毒，以及限制动物接触的保护性控制，包括大规模扑杀。美国农业部最近还颁发了禽流感疫苗的有条件许可证，这可能会让急于降低鸡蛋价格的家禽农民松一口气。
Chakrabarty 准备向全世界推出这种生物传感器，并指出它的设计旨在便于携带且价格合理，适合大规模生产。
工作原理这种集成式病原体采样传感装置大小与台式打印机相当，可以放置在农场排出鸡舍或牛舍废气的地方。该装置是一个跨学科的工程奇迹，由一个“湿式旋风生物气溶胶采样器”组成，最初是为采样SARS-CoV-2气溶胶而开发的。含有病原体的空气以极高的速度进入采样器，并与采样器壁上的流体混合，形成表面涡流，从而捕获病毒气溶胶。该装置有一个自动泵送系统，每五分钟将采样的液体送到生物传感器进行无缝病毒检测。
Chakrabarty 实验室高级研究员 Meng Wu 与研究生 Joshin Kumar 一起承担了一项艰巨的任务，即优化电化学生物传感器的表面，以提高其对痕量病毒（每立方米空气中少于 100 个病毒RNA拷贝）检测的灵敏度和稳定性。
该生物传感器使用称为适体的“捕获探针”，即单链 DNA，可与病毒蛋白结合并标记病毒。该团队面临的最大挑战是找到一种方法，让这些适体与 2 毫米厚的裸碳电极表面配合，检测病原体。
经过数月的反复试验，该团队找到了正确的配方，即使用氧化石墨烯和普鲁士蓝纳米晶体的组合来修改碳表面，以提高生物传感器的灵敏度和稳定性。最后一步是通过交联剂戊二醛将改性电极表面与适体连接起来，徐和库马尔说这是使裸碳电极表面功能化以检测 H5N1 的“秘诀”。
他们补充说，该团队的检测技术一大优势是无损检测。检测出病毒存在后，样本可以保存起来，以便通过 PCR 等常规技术进一步分析。
集成病原体采样传感装置可自动工作——无需具备生物化学专业知识即可使用它。它采用价格实惠且易于批量生产的材料制成。生物传感器可以提供空气中 H5N1 的浓度范围，并实时提醒操作员注意疾病高峰。徐说，了解这些水平可以作为设施中“威胁”的一般指标，并让操作员知道病原体平衡是否已达到危险水平。
能够提供一系列病毒浓度是传感器技术的另一个“第一”。
最重要的是，它可以扩大规模，在一个设备中发现许多其他危险的病原体。
Chakrabarty 表示：“这种生物传感器专门针对 H5N1，但它可以适用于检测气溶胶相中的其他流感病毒株（例如 H1N1）和 SARS-CoV-2 以及细菌（大肠杆菌和假单胞菌）。”我们已经展示了我们的生物传感器的这些功能，并在论文中报告了研究结果。
参考文献：《用于快速检测气溶胶中禽流感病毒（H5N1）和大肠杆菌的电容式生物传感器》，作者：Joshin Kumar、Meng Xu、Yuezhi August Li、Shu-Wen You、Brookelyn M. Doherty、Woodrow D. Gardiner、John R. Cirrito、Carla M. Yuede、Ananya Benegal、Michael D. Vahey、Astha Joshi、Kuljeet Seehra、Adrianus CM Boon、Yin-Yuan Huang、Joseph V. Puthussery 和 Rajan K. Chakrabarty，2025 年 2 月 21 日，ACS Sensors。DOI：10.1021/acssensors.4c03087
文章来源：Leah Shaffer，华盛顿大学圣路易斯分校
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