Наноплазмоническое ускорение амплификации нуклеиновых кислот для обнаружения патогенов

Природные нанотехнологии, том 18, страницы 846–847 (2023 г.) Процитировать эту статью

3309 Доступов

38 Альтметрика

Подробности о метриках

Показано, что автоматизированная система, которая сочетает микрофлюидику с плазмонной инъекцией горячих электронов для ускорения колориметрического обнаружения амплификации ДНК и РНК, достигает точности обнаружения 95% в образцах слюны человека. Этот метод использует различные анализы амплификации для идентификации патогенов и позволяет различать вирусные варианты и подтипы.

Длительные протоколы, связанные с анализами, основанными на обнаружении и репликации нуклеиновых кислот с помощью зондов нуклеиновых кислот (анализы амплификации), затрудняют быстрое обнаружение патогенов в нужный момент, не говоря уже о автоматизации процесса от подготовки образца до получения результата1. Это ограничение препятствует принятию решений относительно борьбы с распространением вирусных респираторных инфекций, которые — из-за роста заболеваемости — все больше влияют на население и экономику мира. Такие ограничения особенно проявились на ранних стадиях пандемии COVID-19, когда во всем мире предпринимались усилия по разработке и использованию диагностических тестов. В настоящее время тесты на антигены являются тестами выбора для проведения обследований в местах необходимости благодаря их простоте и быстроте проведения. Однако тесты на антигены имеют более низкую чувствительность, чем тесты полимеразной цепной реакции (ПЦР)2, что затрудняет их применение для принятия решений в сфере здравоохранения в начале инфекции.

Мы предлагаем метод QolorEX для получения количественных колориметрических показаний без меток с разрешением в один нуклеотид, который позволяет получить результат в течение нескольких минут. Этот подход объединяет колориметрические анализы изотермической амплификации, опосредованной петлей обратной транскрипции на основе фенолового красного (RT-LAMP) и амплификации по катящемуся кругу (RCA)3, с миниатюризированной плазмонной наноповерхностной микрофлюидной системой для достижения плазмонного катализа в горячих точках4. Чтобы упростить реакцию амплификации, мы разработали микрофлюидный картридж, в котором используется настраиваемое микрофлюидное срабатывание в зависимости от угла для интеграции полного цикла сбора образцов, лизиса, добавления реагентов для анализа, амплификации нуклеиновых кислот и обнаружения (рис. 1а). Чтобы уменьшить количество ошибок, вносимых пользователем, мы разработали блок визуализации с подсветкой и автоматическими приводами для обработки, нагревания и изображения микрофлюидного картриджа, не требуя ввода данных от пользователя. Эта автоматизация позволяет пользователю нажать кнопку в приложении мобильного телефона, чтобы начать последовательную работу микрофлюидного картриджа. Колориметрические показания автоматически распознаются дополнительной камерой металл-оксид-полупроводник (CMOS), интегрированной с блоком визуализации. Затем алгоритм машинного обучения анализирует показания и устанавливает положительные или отрицательные результаты; результат затем отправляется на мобильный телефон пользователя.

а, Схема работы QolorEX. Пользователь сплевывает слюну в воронку для сбора и помещает микрофлюидный картридж в коробку визуализации. Результаты затем автоматически передаются через приложение для смартфона. б. При световом возбуждении плазмонный наноматериал ускоряет анализ амплификации из-за избытка электронов на границе раздела реакции. Повышенная скорость амплификации увеличивает скорость производства протонов, которые снижают pH среды, в результате чего феноловый красный быстро меняет цвет с фуксиевого на желтый в присутствии целевого патогена (показано на вставке). dNTP – дезоксирибонуклеотидтрифосфат; DOS — плотность состояний; Э, энергия; EF — энергия Ферми; φасс – энергия инициирования реакции окисления; ħω — энергия фотона; ΔV, объем чувствительной камеры. © 2023, АбдельФатах Т. и др.

Мы продемонстрировали, что быстрое колориметрическое считывание, полученное с помощью QolorEX, сильно зависит от инъекции возбужденных светом «горячих» электронов с поверхности самоорганизующихся плазмонных наночастиц в смесь образца и реагентов для анализа в сенсорной камере. Эти горячие электроны ускоряют нуклеофильную реакцию на стадии полимеризации амплификации, что, в свою очередь, приводит к рН-зависимой трансформации цвета фенолового красного без метки от фуксии к желтому (рис. 1б). Мы обнаружили, что плазмонные поверхности с наночастицами диаметром 400 нм обеспечивают более сильное усиление электромагнитного поля и связанные с ним эффекты плазмонного катализа горячих точек, чем плазмонные поверхности с наночастицами других размеров, что приводит в среднем к 9-кратному ускорению скорости реакции амплификации.