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“三明治”式新型芯片检测早期HIV只要4小时45分钟

近日,《PLOS one》杂志上发表了一篇文章,向我们展示了一种超敏感、超快速的HIV检测新方法。这款设计在感染后一周就可以检测,且总时长为4小时45分钟,在测试当天即可拿到结果。

早期HIV感染检测是阻止艾滋病蔓延的关键点,也是改进抗病毒治疗有效性的重要方式。核酸扩增测试(NAAT)已经成为了发现血液样本中低浓度病毒的黄金标准。但是,这类方法对技术有所要求,并且对于发展中国家来说有着高昂的成本。

免疫分析相对来说成本更容易接受,并且更适用于即时诊断。可是,目前很多此类方法的敏感度较低。我们今天要介绍的新方法有哪些优越之处呢?先来了解一下它的结构和原理吧。

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生物芯片

首先,作为一种生物传感器,它的体积是很小的。

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新技术采用了一种“三明治”样的结构,结合了硅微机械结构和金纳米粒子以及抗体。

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扫描电子显微镜下的单晶硅微悬臂梁阵列。

芯片中的硅采用了单晶硅微悬臂梁阵列。单晶硅阵列与具有生物功能化的捕获抗体结合,微悬臂梁长500微米,宽90微米,厚1微米。

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微悬臂梁上的捕获抗体与HIV-1的p24抗原可以特异性结合。这些捕获抗体固定在单晶硅的阵列表面,防污分子被固定在悬臂和抗体间的空隙,以减少底表面上的非特异性相互作用。

第一步,将1毫升血清与上述结合捕获抗体的硅芯片在37℃孵育1小时,使得血样中存在的HIV-p24抗原与传感器表面的捕获抗体相结合。

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下一步,严格除去微悬臂梁上的非特异性吸附。

纳米金粒子直径在100nm左右,表面被检测抗体包被。检测抗体能够与p24抗原特异性结合。

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第三步,将捕获p24抗原后的芯片与1毫升纳米金粒子溶液(10微克/毫升)在37℃环境中再次孵育,15分钟后捕获的p24蛋白就可以被标记出来。

最后,将未结合的粒子漂洗除去,留下的金纳米粒子就是已经与HIV-1的p24蛋白相结合的。

测试总共需要4小时45分钟,这是非常迅速的。意味着你可以在体检的同一天拿到诊断结果,甚至完成重复测试。

纳米机械信号与光电等离子转导

金纳米粒子可以通过纳米机械信号(附加质量)和光电等离子转导(散射强度)来测算血清中p24的浓度。

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【顶图】通过测试微悬臂梁震动频率的改变得到附加质量。


【底图】免疫测定处理后微悬臂梁的暗视野成像获得散射信号强度。

超低的检出限

金纳米粒子给予的机械信号和光学信号都可以作为p24浓度的测定指示。这种精密灵敏的检测方式使得免疫分析对HIV抗原检测的检出限大大降低。

标准的核酸扩增试验(NAAT)检出限为20-35RNA拷贝/毫升,即10-18病毒颗粒/毫升,这通常是HIV感染第二周后血浆中出现的病毒浓度。第四代免疫分析对p24的检出限可以达到10皮克/毫升,这通常是感染后3-4周所能达到的浓度。

新型的生物芯片基于纳米机械信号和光电等离子转导来测算血清中p24的浓度,检出限可以降低到10-5皮克/毫升。

这种高敏感度的检测可以大大缩短HIV的窗口期(病毒在血液中开始复制但不能被检测到的时间段),血液中的HIV病毒在感染后一周就可以被检测到。

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设计已经取得了CSIC的专利许可,也可以用来作为某些癌症的早期发现。在成熟的微电子制造支持下,这种芯片具有低成本、大批量生产的可能,因而,具有广泛应用的巨大潜力。


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    “三明治”式新型芯片检测早期HIV只要4小时45分钟

    近日,《PLOS one》杂志上发表了一篇文章,向我们展示了一种超敏感、超快速的HIV检测新方法。这款设计在感染后一周就可以检测,且总时长为4小时45分钟,在测试当天即可拿到结果。

    早期HIV感染检测是阻止艾滋病蔓延的关键点,也是改进抗病毒治疗有效性的重要方式。核酸扩增测试(NAAT)已经成为了发现血液样本中低浓度病毒的黄金标准。但是,这类方法对技术有所要求,并且对于发展中国家来说有着高昂的成本。

    免疫分析相对来说成本更容易接受,并且更适用于即时诊断。可是,目前很多此类方法的敏感度较低。我们今天要介绍的新方法有哪些优越之处呢?先来了解一下它的结构和原理吧。

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    生物芯片

    首先,作为一种生物传感器,它的体积是很小的。

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    新技术采用了一种“三明治”样的结构,结合了硅微机械结构和金纳米粒子以及抗体。

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    扫描电子显微镜下的单晶硅微悬臂梁阵列。

    芯片中的硅采用了单晶硅微悬臂梁阵列。单晶硅阵列与具有生物功能化的捕获抗体结合,微悬臂梁长500微米,宽90微米,厚1微米。

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    微悬臂梁上的捕获抗体与HIV-1的p24抗原可以特异性结合。这些捕获抗体固定在单晶硅的阵列表面,防污分子被固定在悬臂和抗体间的空隙,以减少底表面上的非特异性相互作用。

    第一步,将1毫升血清与上述结合捕获抗体的硅芯片在37℃孵育1小时,使得血样中存在的HIV-p24抗原与传感器表面的捕获抗体相结合。

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    下一步,严格除去微悬臂梁上的非特异性吸附。

    纳米金粒子直径在100nm左右,表面被检测抗体包被。检测抗体能够与p24抗原特异性结合。

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    第三步,将捕获p24抗原后的芯片与1毫升纳米金粒子溶液(10微克/毫升)在37℃环境中再次孵育,15分钟后捕获的p24蛋白就可以被标记出来。

    最后,将未结合的粒子漂洗除去,留下的金纳米粒子就是已经与HIV-1的p24蛋白相结合的。

    测试总共需要4小时45分钟,这是非常迅速的。意味着你可以在体检的同一天拿到诊断结果,甚至完成重复测试。

    纳米机械信号与光电等离子转导

    金纳米粒子可以通过纳米机械信号(附加质量)和光电等离子转导(散射强度)来测算血清中p24的浓度。

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    【顶图】通过测试微悬臂梁震动频率的改变得到附加质量。


    【底图】免疫测定处理后微悬臂梁的暗视野成像获得散射信号强度。

    超低的检出限

    金纳米粒子给予的机械信号和光学信号都可以作为p24浓度的测定指示。这种精密灵敏的检测方式使得免疫分析对HIV抗原检测的检出限大大降低。

    标准的核酸扩增试验(NAAT)检出限为20-35RNA拷贝/毫升,即10-18病毒颗粒/毫升,这通常是HIV感染第二周后血浆中出现的病毒浓度。第四代免疫分析对p24的检出限可以达到10皮克/毫升,这通常是感染后3-4周所能达到的浓度。

    新型的生物芯片基于纳米机械信号和光电等离子转导来测算血清中p24的浓度,检出限可以降低到10-5皮克/毫升。

    这种高敏感度的检测可以大大缩短HIV的窗口期(病毒在血液中开始复制但不能被检测到的时间段),血液中的HIV病毒在感染后一周就可以被检测到。

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    设计已经取得了CSIC的专利许可,也可以用来作为某些癌症的早期发现。在成熟的微电子制造支持下,这种芯片具有低成本、大批量生产的可能,因而,具有广泛应用的巨大潜力。