基于功能性纳米材料的便捷诊断测试：COVID-19和未来大流行病的新技术

摘要：

许多系统都是为检测SARS-CoV-2而设计的，这种病毒是导致COVID-19的病毒。SARS-CoV-2很容易传播，导致疾病在人群中迅速传播。在护理点(POC)进行频繁检测是控制SARS-CoV-2和其他新发病原体引起的疫情的一个关键方面，因为早期发现感染者之后可以采取适当的隔离或治疗措施，最大限度地提高康复机会并防止传染病传播。用于高频检测的诊断工具应该价格低廉，不需要复杂的设备就能提供快速的诊断反应，并且适合大规模生产。这些设备的应用可以实现大规模数据收集，帮助控制病毒传播，防止疾病传播。本文综述了基于纳米材料的光学和电化学生物传感器，用于COVID-19可访问的POC检测。这些生物传感器结合了纳米材料与基于纸的分析设备和其他廉价的底物，传统的横向流动技术(抗原和抗体免疫测定)，以及创新的生物传感方法。与PCR、ELISA和LAMP等广泛使用的技术相比，作者批判性地讨论了基于纳米生物传感器的方法的优点和缺点。此外，作者描述了与开发功能可靠的生物传感器相关的主要技术，(生物)化学，翻译和监管挑战，这些挑战阻碍了它们转化为临床。最后，强调了纳米生物传感器与现有诊断测试相比的独特优势，如何在未来的流行病中发挥作用。

综述内容：

文章首先概括了SARS-CoV-2的结构和检测用生物标志物,包括病毒颗粒表面的S蛋白、核衣壳N蛋白,以及免疫球蛋白等。这些生物标志物被广泛用于开发基于纳米材料的光学和电化学生物传感器。其次,文章讨论了唾液等替代生物样本的优势和局限性,指出它们相比鼻咽拭子样本具有更好的可接受性和稳定性。

随后,文章深入介绍了基于纳米材料的电化学传感技术在COVID-19诊断中的应用。这些传感器利用纳米材料独特的光学、电化学和催化特性,可以实现快速、灵敏、简单和低成本的检测。例如,将纳米金颗粒修饰到电极表面,并共价连接SARS-CoV-2特异性受体,可以通过电化学阻抗谱或伏安法灵敏检测病毒抗原。另一例如,将酶标记的核酸探针与石墨烯电极结合,利用葡萄糖计量仪即可定量检测SARS-CoV-2核酸。这些技术突破了RT-PCR等传统方法的局限性,为大规模、频繁和便携式的COVID-19检测提供了可行方案。

尽管纳米生物传感器展现出诸多优势,但在实际应用中仍面临着一些挑战。文章讨论了这些挑战,包括纳米材料的可控合成、生物功能化的策略、以及稳定性和均一性的评估等。这些关键技术问题需要解决,才能推动这些创新诊断平台的临床转化和规模生产。

最后,文章展望了纳米生物传感器在未来大流行病防控中的潜力。它们灵活、易改造,可针对新型病原体快速开发检测方法,既可用于及时识别感染者,又可大规模筛查无症状感染者,有助于切断传播链。随着技术的不断进步,基于纳米材料的便捷诊断测试有望成为应对下一次大流行病的利器。

研究结论：

高通量、灵敏且具有成本效益的诊断设备可用于准确和频繁地检测SARS-CoV-2感染，并有助于预防病毒传播。功能化纳米材料比色和电化学生物传感器为POC检测提供了有吸引力的特点，如仪器简单(有时与智能设备相结合)、快速响应和足够的灵敏度。大规模制造和功能化方法可用于低成本生产，但必须确保传感器性能稳定和可重复性。POC和家庭传感依赖于无创收集唾液、鼻拭子或其他样本。最近，防污涂层和膜在生物传感器传感器上的应用提高了这些复杂生物流体的传感器性能，并且POC传感变得更加精确。由于SARS-CoV-2在社区中持续存在，显然需要更多的工具来监测突变和识别变体。能够测量SARS-CoV-2序列突变数量和种类的多路复用传感器可作为重要的筛选工具，用于变异识别和跟踪，为公共卫生措施和未来的疫苗开发提供信息。由于SARS-CoV-2主要通过呼吸道飞沫和气溶胶传播，因此在呼出气体中直接监测病毒的能力对于控制感染的传播将是非常宝贵的。未来的研究可能会导致直接检测呼吸中的病毒颗粒，并在口罩中加入柔性印刷电子设备，以进行持续的病毒检测。

这里强调的方法提供了传感能力，可以很容易地修改，以监测多路平台中感兴趣的其他生物标志物。SARS-CoV-2的症状差异很大，而且是非特异性的;因此，将SARS-CoV-2与其他病毒感染区分开来以进行适当治疗非常重要。这可以通过使用检测各种循环病毒的多路平台来实现。除了SARS-CoV-2病毒产物外，对一般健康生物标志物的多路传感可以为远程医疗监测提供更完整的患者健康状况。我们设想在不久的将来，可获得的生物传感器技术将广泛用于诊断。我们预计，从当前COVID-19大流行期间吸取的经验教训，除了改进检测和诊断技术外，还将使生物传感器从原型转向诊断测试，以应对未来的大流行。

参考文献

de Araujo, W. R., Lukas, H., Torres, M. D. T., Gao, W., & de la Fuente-Nunez, C. (2024). Low-Cost Biosensor Technologies for Rapid Detection of COVID-19 and Future Pandemics. ACS Nano, 18(3), 1757-1777.

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01629.