1、引言

传染性疾病是一类严重危害人类健康的常见病,其中以COVID-19为代表的呼吸道传染病尤为突出。疫情初期,COVID-19快速传播,造成大规模感染和严重死亡。及时准确的检测对于早期发现、隔离和控制疫情传播至关重要。

目前主流的病原检测手段主要有两类:分子诊断和免疫学检测。分子诊断如PCR技术灵敏度高,但需要复杂的仪器设备和专业操作,难以满足快速现场筛查的需求。相比之下,免疫学方法操作简便快捷,可以实现现场快速检测,但通常灵敏度较低。提高免疫学检测的灵敏度成为当前亟需解决的关键问题。

抗体对检测是免疫学诊断的主要手段之一,可以快速检测病原蛋白。但传统抗体对制备和筛选过程繁琐,易受抗原表位空间位置的影响而限制灵敏度。本文以COVID-19检测为研究案例,利用计算机模拟技术筛选出能够识别不同表位的优质纳米抗体对,并将其集成到荧光层析检测平台,成功研制出一种具有超高灵敏度的病原检测方法。

2、结果与讨论

2.1 多表位纳米抗体对的筛选

作者首先从数据库中筛选出20种针对SARS-CoV-2核壳蛋白(NP)和受体结合域(RBD)的候选纳米抗体。通过分子对接模拟,他们精确分析了这些纳米抗体与抗原的结合位点和相互作用情况(图1A)。结果显示,这些纳米抗体可以广泛覆盖NP和RBD抗原的不同表位。

进一步筛选出7种性能优异的纳米抗体(N1-N5、N9-N10),发现它们能够与NP抗原形成广泛的氢键网络,结合位点分布在蛋白质的不同区域。这种多表位结合的特性为构建超高灵敏度的检测系统奠定了基础。

相比于传统的单克隆抗体,纳米抗体具有独特的优势:小分子量、高稳定性、易于生产等。这些特性使其成为构建高灵敏度检测系统的理想候选物。与此同时,计算机模拟技术的应用也为筛选出能够识别不同表位的优质纳米抗体对提供了有力支撑,大幅简化了繁琐的实验筛选过程。

2.2 多表位纳米抗体的应用

基于筛选出的优质纳米抗体,作者设计了一种基于三明治免疫层析的荧光检测平台(图1B)。具体而言,一种纳米抗体固定在检测线上,另外两种针对不同表位的纳米抗体或单克隆抗体与时间分辨荧光探针结合,构成三明治结构。当检测样品中存在靶标抗原时,三种抗体会同时结合形成"三明治",从而在检测线产生强烈的荧光信号。

该检测平台的灵敏度非常出色。对于NP抗原,检出限可达12.01 pg/mL,而RBD抗原的检出限为6.51 pg/mL,分别比基于双单克隆抗体的检测提高4-32倍,比市售检测试剂盒提高32-256倍。此外,该检测方法还具有良好的特异性、稳定性和重复性,为快速准确的病原检测提供了新的技术手段。

这种基于三明治免疫层析的荧光检测技术,充分发挥了纳米抗体的优势。一方面,灵敏度的大幅提升缘于纳米抗体能够识别不同表位,形成多个结合位点,从而大大提高了检测信号。另一方面,纳米抗体的小分子量和高稳定性,使得整个检测体系更加紧凑高效,有利于工艺的优化和规模化生产。

与传统基于单克隆抗体的检测相比,本研究的创新之处还在于采用了分子对接模拟技术。这种计算机辅助的筛选策略,不仅大幅简化了实验操作,而且能够精准预测纳米抗体与抗原的结合特性,为设计高性能检测系统提供了重要依据。

3、结论

本研究成功研制出一种基于多表位纳米抗体的超高灵敏度COVID-19检测平台,为病原体快速筛查提供了新的解决方案。这一创新性技术的应用前景广阔:

1、 可进一步延伸至其他重要病原体的检测,为疾病早期诊断和防控提供有力支撑。

2、纳米抗体筛选策略的推广,有望大幅提升免疫学诊断的整体性能,为构建新一代便携式、高灵敏度的现场快速检测设备奠定基础。

3、计算机辅助的抗体筛选技术为免疫诊断试剂的标准化生产提供新思路,有助于提高检测结果的稳定性和可靠性。

总之,本研究充分发挥了纳米抗体的独特优势,巧妙利用计算机模拟技术,成功研制出一种超高灵敏度的病原检测方法。这一创新性成果为免疫诊断技术的发展注入了新动力,必将推动病原体快速检测能力的大幅提升,为疾病预防和控制做出重大贡献。

参考文献

Wenjin Hu, Yichen Liu, Xi Li, Liusheng Lei, Huai Lin, Qingbin Yuan, Daqing Mao, Yi Luo, Nanobody-based strategy for rapid and accurate pathogen detection: A case of COVID-19 testing, Biosensors and Bioelectronics, Volume 263, 2024, 116598. https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116598.