哈佛 & MIT 科学家联手研发可检测病毒的口罩

哈佛 & MIT 科学家联手研发可检测病毒的口罩

 BDD News  第100案

作者：Aria Bendix

翻译:张海燕原文来源：Business Insider

图源：Romeo Ranoco/Reuters

摘要：过去六年来，麻省理工学院和哈佛大学的生物工程师一直在研发病毒检测传感器，它能够检测寨卡病毒（Zika）和埃博拉病毒（Ebola）等传染性病毒。目前，他们在调整技术以便筛查新型冠状病毒。研究小组打算将传感器嵌入口罩内，当感染者呼吸、咳嗽或打喷嚏时，传感器会发出荧光信号，表示有病毒存在。

在新型冠状病毒出现之前，大流行病就一直是合成生物学专家吉姆·柯林斯（Jim Collins）多年来的研究重点。

2014年，他领导的麻省理工学院生物工程实验室（Collins Lab）开始研发可检测病毒的传感器，这种传感器可以检测出被冷冻干燥在纸上的埃博拉病毒。来自麻省理工学院和哈佛大学的科学家组成的科研小组在2016年首次发表了他们的研究成果。紧接着，他们对该项技术进行了针对性调整，用以解决日益蔓延的寨卡病毒问题。

目前，他们再次重新调整他们的传感器设计，用以识别新冠病毒感染病例。此外，研究小组正在研发一款口罩，佩戴这款口罩的新冠病毒感染者在呼吸、咳嗽或打喷嚏时，口罩会检测到病毒存在并产生荧光信号。如果该项技术通过验证，可以弥补体温检测等其他筛查方法存在的缺陷。

柯林斯在接受Business Insider采访时表示:“我们的城市交通系统解封之后，这款口罩可以在机场等公共场所广泛使用，比如过安检、候机的时候。我们在通勤上下班的时候也可以佩戴它。还有医院可以借助这款口罩在医院入口和候诊室预先筛查病毒感染者。”

医生甚至可以用它当场诊断患者，省去了将样本送往实验室的步骤。在此疫情爆发蔓延之际，检测情况混乱、不及时导致很多国家未能很好地控制疫情，因此研发出能够快速筛查感染者的工具迫在眉睫。

荧光信号指示唾液中是否存在冠状病毒

 据柯林斯透露，这项研究虽处于“起步阶段”，但截止目前试验结果都很乐观。在过去几周内，他的团队一直在测试传感器在小样本唾液中检测新冠病毒的能力。

该团队还在对设计方案进行试验：目前，团队在考虑是把传感器嵌入口罩，还是研发一个单独模块，可与药店购买的任一款口罩搭配使用。团队希望在未来几周内能够证明这个方案是可行的。

柯林斯表示: “一旦我们进入那个阶段，新的难题就是如何对疑似感染者进行试验，检验这款口罩的实际应用效果。”

这项技术对其他更普通的病毒检测识别技术已经得到验证。截止2018年，柯林斯实验室研发的传感器已可用于检测SARS、麻疹、流感、丙型肝炎、西尼罗河病毒等传染病。

柯林斯说:“我们最初在纸质材料上做实验是为了创造低成本的纸质诊断方法。”“我们现在发现，这个传感器同样能检测附在塑料、石英料和布料上的病毒。”

柯林斯的传感器由遗传物质DNA和RNA组成，这些物质可以与病毒结合。然后使用 “冻干机（lyophilizer）”设备将这种遗传物质冷冻干燥到织物上，对它进行脱水处理并保持活性。这种物质在室温下可以保持稳定几个月，使得口罩的保质期相对较长。

激活传感器需要两个条件。第一是水分，我们的身体会通过呼吸器官产生鼻黏液或唾液等；第二，传感器需要检测到病毒的基因序列。

今年1月，上海的一家实验室对冠状病毒基因组进行了测序。柯林斯说，他的传感器只需要通过识别序列的一小部分就可以发现病毒。一旦发现病毒，传感器就会在1到3个小时内发出荧光信号。

这个信号肉眼不可见，所以柯林斯实验室使用一种名为 “荧光计（flourimeter）”的设备来测量荧光。柯林斯说，在实验室外，检测人员可以使用手持荧光计扫描人们的口罩，“仪器成本大约为1美元”。

 他说，他的团队之前曾研发过一种当检测到病毒时会从黄色变成紫色的传感器，所以变色传感器也是可实现的，虽然目前只是提出来这个想法。

更快速更准确的诊断方法

柯林斯是合成生物学领域公认的先驱人物，这个领域利用工程学对自然生物系统进行重组。柯林斯曾于2003年获得了麦克阿瑟天才奖。2018年，他的实验室从强生公司获得了5万美元的资助，用于开发可嵌入实验室工作服的病毒检测传感器。

与传统的诊断测试相比，传感器带来的可能是一种更便宜、更快捷和更敏感的检测方式。例如，实验室的寨卡病毒检测传感器可以在两到三个小时内完成诊断。该团队在2016年时估计，这些传感器每个成本约为20美元，而检测品本身的制造成本为1美元或更低。

4月30日，巴黎Robert Ballanger医院的一名技术人员正在扫描装有冠状病毒活性样本的试管  图源：GonzaloFuentes/Reuters

而目前的冠状病毒检测耗时大约24小时，通常被测患者好几天都拿不到检测结果。随着目前美国食品和药物管理局（FDA）已经批准进行家庭诊断测试(目前由医护人员和急救人员来进行)，这种情况可能会有所改变。

根据联邦医疗保险3月份发布的一份文件，美国疾控中心研发的检测品成本约为36美元，商业实验室的检测品成本则高达51美元。

因为柯林斯的传感器是高度针对性的，甚至能够检测到不同的病毒株。在寨卡病毒的案例中，传感器识别出有两种菌株来自非洲，一种来自亚洲，还有一种来自美国。

 

科学家已经追踪到冠状病毒株的两个主要谱系：一个来自亚洲，另一个在欧洲、北美和澳大利亚更为普遍。尽管麻省理工学院实验室仍在测试冠状病毒序列，但其技术能够检测到这些差异的几率很大，研究小组之前发现，其测试识别单点突变的可能性为48%。

替代体温筛查的疾控手段

4月9日，意大利那不勒斯地铁站，一名乘客在进地铁站时接受红外测温扫描检测   图源：Marco Cantile /LightRocket/GettyImages

机场检疫人员主要依赖于体温检测来标记可能感染冠状病毒的旅客。很多封锁限制不太严格的国家也在使用这样的筛查方式。

但体温筛查方法容易遗漏大量感染者，包括无症状病毒携带者、处在潜伏期的患者、体温正常但其他症状异常的病毒携带者。柯林斯认为，他的传感器是通过检测病毒本身，而不是检测症状来筛查病毒感染者，所以能识别出更多的患者。

他说，实验室的预期目标，是在夏季结束前将口罩投入生产并分发到市场上。“我们现在时间紧迫、人才紧缺，目前的团队规模相对较小，实验室人手有限，而且每个人都在倾尽全力地工作。”

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