仿生水凝胶iSCIA技术：开启病原体原位成像新篇章

引言

在全球范围内，由病毒、细菌和真菌等病原体引发的疾病不断威胁着人类健康和生态安全。快速、准确地检测病原体对于公共卫生筛查、植物健康监测和食品安全检测至关重要。然而，传统的核酸扩增检测方法存在诸多局限，如需要繁琐的样本预处理、无法保留空间信息等。近日，浙江大学林星宇研究团队成功开发了一种仿生水凝胶原位空间限制界面扩增（iSCIA）技术，为病原体检测领域带来了革命性的变革。

检测技术原理阐述

iSCIA技术的核心在于仿生水凝胶的独特结构和功能，原理图如下所示。该技术灵感来源于细胞基质，利用水凝胶的三维多孔结构，模拟细胞内的拥挤和纳米限制空间环境。水凝胶由聚乙二醇（PEG）交联而成，具有优异的柔韧性和透明度，能够与各种粗糙的生物样本表面紧密贴合，形成共形接触。

当水凝胶涂覆在样本上时，核酸在水凝胶的纳米孔中被有效限制，其运动受到显著抑制。这种纳米限制效应使得核酸无法在扩增过程中发生扩散和迁移，从而保留了其原始的空间位置信息。与此同时，水凝胶内部的生物试剂（如Bst聚合酶、引物、dNTP等）能够自由扩散，触发原位酶促扩增反应。扩增产物在原位产生并被纳米孔限制，形成一系列明亮的荧光点，为后续成像提供了清晰的信号。

图片来源：Advanced Science

实验验证与结果

研究人员通过一系列实验验证了iSCIA技术的性能。在植物叶片和食品样本上，成功实现了对病毒、细菌和真菌等病原体的原位成像。例如，在植物叶片上，通过iSCIA技术能够清晰地观察到病原体的感染位置和分布情况，无需复杂的样本预处理步骤，如下图所示。在食品安全检测方面，该技术同样表现出色，能够在短时间内检测出蔬菜和水果表面的食源性病原体，为食品安全监测提供了有力的技术支持。

图片来源：Advanced Science

技术优势与应用前景

iSCIA技术具有诸多显著优势。首先，其检测速度快，整个原位成像过程仅需20分钟，大大缩短了检测时间。其次，检测灵敏度高，检测限低至1拷贝/10平方厘米，能够检测到极低丰度的病原体。同时，基于深度学习模型的多重成像技术也被建立用于自动化分析多重目标。此外，该技术无需甲醛固定等繁琐的预处理步骤，简化了操作流程，降低了检测成本。

在应用前景方面，iSCIA技术不仅适用于植物健康监测和食品安全检测，还可广泛应用于环境监测、临床诊断等领域。例如，在环境监测中，可用于检测空气、水体和土壤中的病原体污染情况；在临床诊断中，可实现对患者体内病原体的快速检测和定位，为精准医疗提供依据。

结语

仿生水凝胶iSCIA技术的问世，为病原体检测领域注入了新的活力。其独特的检测原理和优异的性能，使其在众多检测技术中脱颖而出，展现出广阔的应用前景。随着技术的不断完善和推广，相信iSCIA技术将为全球公共卫生事业的发展做出重要贡献，守护人类健康和生态安全。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202407055