Новый нанобиосенсор быстро выявляет вирус гриппа

Кафедра прикладной физики и междисциплинарный отдел биомедицинской инженерии Гонконгского Политехнического Университета (Hong Kong Polytechnic University, PolyU, Гонконг) разработали новый нанобиосенсор, позволяющий быстро обнаружить вирус гриппа и другие вирусы.

Новый метод основан на оптическом процессе, называемом апконверсией люминесцентного резонансного переноса энергии (luminescence resonance energy transfer, LRET), что позволяет обнаружить вирус с высокой точностью. Он состоит из простых операционных процедур, что значительно сокращает время проведения теста с нынешних 1-3 дней до 2-3 часов. В результате новый метод в 10 раз быстрее, чем традиционные клинические методы выявления вируса гриппа. Стоимость тестирования одного образца составляет около 20 гонконгских долларов, что на 80% ниже стоимости традиционных методов. Кроме того, данную технологию можно использовать для выявления различных типов вирусов, что в будущем поможет разработать недорогие, быстрые и сверхчувствительные методы выявления разных вирусов.

Традиционные биологические методы выявления вируса гриппа включают методы генетического анализа: полимеразную цепную реакцию с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) и иммуноферментный анализ (ИФА). Проведение анализа методом ОТ-ПЦР трудоемко и дорогостояще, в то время как ИФА обладает относительно низкой чувствительностью к вирусу гриппа. Такие ограничения осложняют использование данных методов к клинике в качестве методов диагностики первой линии, а также «у постели больного». Именно по этой причине актуальна разработка нового биосенсора с апконверсионными наночастицами, выявляющего вирус люминесцентным методом.

Исследователи из PolyU разработали биосенсор на основе люминесцентного метода, который действует как два совпадающих фрагмента магнита, между которыми существует сила притяжения. Разработка включила в себя создание апконверсионных наночастиц (upconversion nanoparticles, UCNPs), конъюгированных с олигонуклеотидным зондом, чья последовательность ДНК комплементарна участку последовательности ДНК вируса гриппа, конъюгированной с наночастицами золота (gold nanoparticles, AuNPs). Учитывая свойство комплементарности ДНК, два олигонуклеотида (UCNPs и AuNPs) соединялись друг с другом – этот процесс носит название гибридизации. В момент освещения портативной ручкой-лазером ближнего инфракрасного диапазона UCNPs излучают зеленый свет, видимый для человеческого глаза. При этом AuNPs поглощают зеленый свет. Исследователь может легко определить концентрацию вируса гриппа путем измерения уменьшения интенсивности зеленого света.

Первоначально исследователи из PolyU использовали апконверсию LRET для обнаружения вируса в системе жидкой фазы. Исследовательская команда в дальнейшем усовершенствовала чувствительность метода люминесцентного выявления за счет использования системы твердофазных нанопористых мембран (NAAO) для обнаружения вируса. Поскольку NAAO мембрана состоит из множества полых каналов, в ней больше места для протекания процесса гибридизации, что повышает чувствительность нового метода более чем в 10 раз, по сравнению с системой жидкой фазы, что было доказано клиническим выявлением вируса с использованием его инактивированных образцов.

Метод, изобретенный учеными из PolyU, не только легок и прост в исполнении, он также не требует использования дорогостоящих инструментов и обучения исполнителя сложным навыкам, при этом его чувствительность сопоставима с чувствительностью традиционных клинических методов. По сравнению с традиционными методами, основанными на даун-консерсивном люминесцентном методе, он лишь незначительно повреждает генетический материал и не вызывает фоновую флуоресценцию. Кроме того, новый метод может широко использоваться для выявления различных типов вирусов – нужно лишь создать специфичные зонды для гибридизации с вирусными последовательностями.

Результаты исследований были недавно опубликованы в журналах ACS Nano и Small, двух ведущих журналах в области наноисследований. Исследовательская команда при поддержке со стороны Innovation and Technology Support Programme будет продолжать совершенствовать нанобиосенсор для быстрого выявления вируса, а именно повышать его чувствительность и специфичность, а также разрабатывать матрицу для выявления множества вирусов гриппа с помощью одной платформы.

Исследовательская команда из PolyU во главе с доктором Цзяньхуа Хао (Jianhua Hao), доцентом кафедры прикладной физики (справа), и доктором Мо Яном (Mo Yang), доцентом междисциплинарного отдела биомедицинской инженерии (слева), разработала новый нанобиосенсор, быстро выявляющий вирус гриппа и другие вирусы. (фото: Image courtesy of The Hong Kong Polytechnic University)

По материалам The Hong Kong Polytechnic University

Литература:
1. Ming-Kiu Tsang, WeiWei Ye, Guojing Wang, Jingming Li, Mo Yang, Jianhua Hao. Ultrasensitive Detection of Ebola Virus Oligonucleotide Based on Upconversion Nanoprobe/Nanoporous Membrane System. ACS Nano, 2016; 10 (1): 598 DOI:10.1021/acsnano.5b05622
2. Wei Wei Ye, Ming-Kiu Tsang, Xuan Liu, Mo Yang, Jianhua Hao.Upconversion Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET)-Based Biosensor for Rapid and Ultrasensitive Detection of Avian Influenza Virus H7 Subtype. Small, 2014; 10 (12): 2390 DOI:10.1002/smll.201303766