復旦大學Nature子刊：4分鐘即可出核酸結果

引言

因為許多與疾病相關的生物標志物的豐度極低，所以對生物溶液中痕量分析物進行超精確分析對于生物研究、精準醫學和早期診斷具有重要意義。這種精確的分析接近生物傳感器的極限，不可避免地會受到大量非特異性蛋白質、核酸或其他背景生物分子的影響。目前，一些技術可以通過使用納米尺度的傳感器，利用微小的測試體積和超小的識別截面來實現單個或少數分子的檢測，但它們在宏觀溶液缺乏分子水平的靈敏度。盡管在過去幾十年時間中科研人員做出了大量的努力，但是超精準的生物檢測仍然是化學和生物科學中的一個關鍵問題。特別是在2019冠狀病毒病(COVID-19)大流行和其他大規模流行病的背景下，超精準的生物檢測尤為重要。由于在待測溶液中檢測超低濃度的目標分子存在挑戰性，目前還沒有將直接的SARS-CoV-2核酸檢測方法應用于COVID-19的臨床診斷。目前已經建立的方法，即基于定量逆轉錄聚合酶鏈反應(quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction, qRT-PCR)的技術，這種技術的靈敏度有限，而且需要核酸提取和擴增程序，需要熟練的技術人員、特定的實驗室和設備，處理時間較長(>2 h)；因此，現場和即時檢測SARS-CoV-2核酸仍然是一個障礙。盡管目標擴增大于10⁶倍，qRT-PCR檢測極限(limit of detection, LoD)通常是每微升約0.2-1拷貝(~0.3 × 10^?18?~ 1.7 × 10^?18?M)。簡單、快速和超精確的核酸檢測方法將有助于減緩SARS-CoV-2的快速傳播。

微機電系統(Microelectromechanical systems, MEMS)是一種典型的集成度高、體積小、成本低、效率高、具有商業化可行性的系統。MEMS集成了微米級的機械元件，結合微電子學知識，將機械、化學、生物或其他傳感響應轉換為電信號。通過與場效應晶體管(field-effect transistors, FETs)的集成，MEMS可以制造超靈敏的生物傳感器，因為FETs將高效的傳感器與信號放大器結合在一起，其中一個小的參數變化就會引起通道電流的顯著變化。由于更小的尺寸，可使檢測具有更高的靈敏度和分辨率，通過將特征尺寸小型化到亞微米尺度，納米機電系統(nanoelectromechanical systems, NEMS)在提高傳感性能的同時降低了成本、體積、重量和功耗。然而，這些系統的性能仍然遠遠低于許多生物系統，在生物系統中，生物識別和反應通常通過精確的分子水平機制發生。

對于基于MEMS、NEMS和FETs的生物傳感器，如果不設計傳感界面和在分子水平上操縱系統，在緩沖液或稀釋的生物液中靈敏度很少能達到10^-17?M?(100微升中約600拷貝)。如果在復雜和高離子強度的生物液體中更難達到這種靈敏度。近年來，一些依賴于化學結合誘導幾何變化的分子尺度系統已被開發用于化學傳感。但其檢測靈敏度一般在10^-14~10^-6?M。

研究進展

近日，來自復旦大學魏大程團隊與朱召芹（共同通訊作者）合作在Nat Biomed Eng上發表文章，題為“Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples”。?魏大程團隊報道了一個分子系統用于生物液體中未擴增的金屬離子(Hg²⁺)、蛋白質(Thrombin)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和cDNA)的快速和超靈敏的機電檢測(在100微升中可檢測到1到2拷貝)。此外，該團隊將用于檢測SARS-CoV-2的機電生物傳感器集成到一個便攜式原型設備中，并表明它在4分鐘內即可檢測到SARS-CoV-2 RNA的信號響應，無需提取RNA或核酸擴增。

圖文介紹

圖1.?MolEMS和MolEMS g-FET?2022 Springer Nature

a. MEMS或NEMS生物檢測原理圖

b. MolEMS及其靜電驅動原理圖

c. MolEMS g-FET的器件裝置圖

d, e. 該裝置的照片(d)和光學顯微鏡圖像(e)

f. 石墨烯與MolEMSs修飾后的AFM圖像

g-i. 用Cy3-17bp-15T MolEMSs修飾的石墨烯的熒光強度圖像，V_lg為0.9 V?(g)、0 V?(h)和?1.1 V?(i)

圖2. 超靈敏的生物檢測和長期穩定性?2022 Springer Nature

a-c. 在V_lg?=?0.5 V?(a,c)， 0 V?(b,c)和0.5 V?(b,c)時，TBA功能化MolEMS修飾的g-FET在1× TRB緩沖液中添加凝血酶(從5 × 10^?18?M到5 × 10^?10?M)的實時?I_ds響應(a,b)和?I_ds?響應(c)

d. MolEMS的傳感機理

e. 在全血清中(黑色、綠色)和在1× TRB緩沖液中依次加入凝血酶(紅色)或全血清中(藍色)，TBA功能化MolEMS修飾的g-FET裝置的?I_ds/I_ds0與t的關系曲線

圖3.通用性、特異性性和探針結構設計?2022 Springer Nature

a, b.?不同濃度的ATP (1× AM)、Hg²⁺?(1× TM)、ATP(全血清)和ss-DNA-T(全血清)在MolEMS與相應探針靜電作用下的|?I_ds/I_ds0| (a)和實時?I_ds/I_ds0?(b)響應

c. MolEMS g- FETs對添加目標分析物(5 × 10^?16M)和非目標分析物(5 × 10^?15M)的|?I_ds/I_ds0|響應

d. 四種DNA結構示意圖

e. 當使用不同的DNA結構(V_ds= 50 mV)時，dirac點位移作為凝血酶濃度的函數變化量

圖4. SARS-CoV-2核酸檢測?2022 Springer Nature

a. 采用qRT-PCR和MolEMS g- FETs技術檢測SARS-CoV-2核酸的工作流程

b. 基因組圖譜顯示探針和樣品1-5所用的選定序列(及其相對位置)。

c. 在全人工唾液中加入樣本1和樣本2(從0.1到500拷貝/微升)(技術樣本)后的|?I_ds/I_ds0|響應

d. 添加F1, 6% P1和100% P1(生物樣本)的?I_ds/I_ds0與t的關系曲線

e. 對應于每個臨床樣本的|?I_ds/I_ds0|響應

f. 在VTM中稀釋P32濃度從0.01拷貝/微升到100% P32(生物樣本)的?I_ds/I_ds0與t的關系曲線

g. 在VTM中稀釋的P27-P33 (生物樣本)的|?I_ds/I_ds0|響應和Ct值

h. MolEMS(本工作)與采用qRT-PCR、US CDC或中國NMPA批準的qRT-PCR、RT-LAMP、CRISPR、RPA、SPR和EC檢測SARS-CoV-2核酸檢測的比較

小結

與MEMS和NEMS相比，MolEMS降低了成本、體積和重量，并實現了分子水平的調控。在靜電驅動下，MolEMS允許在高離子強度緩沖液或生物液中對蛋白質、小分子、離子和核酸進行特異性檢測，甚至在連續暴露于全血清15天后也可以進行5×10^-20?M的檢測。MolEMS是一種超靈敏的生物傳感器，且具有優異的防污性、檢測選擇性、穩定性和通用性。MolEMS g-FETs可以直接檢測在鼻咽拭子樣本中未擴增的SARS-CoV-2核酸，且檢測濃度低至每微升約0.02拷貝。該設備實現了快速和無標簽檢測，并易于操作。特別是在臨床樣本中，MolEMS檢測COVID-19的時間約為0.1-4 分鐘(比qRT-PCR快)，無需RNA提取和擴增過程。結合便攜式系統可以在機場、診所和當地急診科，甚至在家里進行現場和即時檢測。除了COVID-19, MolEMS的開發還可以在幾分鐘內對其他疾病進行超精確診斷，而不需要通常需要數小時或數天的目標純化、擴增或培養過程。此外，MolEMS的設計原則可以用于生物傳感之外的其他機電設備和功能系統的設計，具有更高的精度。

文獻鏈接：Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples. 2022, Nature Biomedical Engineering, DOI: 10.1038/s41551-021-00833-7.

本文由納米小白供稿

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