快速灵敏检测致病真菌，还能区分亚型，中国科研团队开发新型生物芯片

学术经纬

2024-02-19 08:01发布于湖北药明康德旗下药明在线官方账号

▎药明康德内容团队编辑

隐球菌是一类重要的致病真菌，已在全球70多个国家地区引起疾病爆发，临床上感染隐球菌出现肺炎、脑膜炎的相应症状或由皮肤、骨骼或内脏受累及所出现的相关症状。

然而，快速准确地检测隐球菌面临三大挑战。一是与其他真菌相比，隐球菌表面有很厚的多糖荚膜，导致核酸提取困难。隐球菌感染主要由两种亚型引起，即新生隐球菌（NEO）和格特隐球菌（GAT），两个亚型很难快速区分。另外，隐球菌核酸提取与检测步骤繁琐，且易于感染人体与污染环境。

为了实现对隐球菌样本的快速和高灵敏度检测，日前由北京航空航天大学和安徽医科大学联合组成的一支研究团队开发了一种电微流控生物芯片，集样本制备和结果定量于一体，可以在20分钟内检测出隐球菌，并在1小时内达到最大检测限，且能够有效区分隐球菌的两种亚型。研究结果发表于Biosensors & Bioelectronics。

研究人员介绍，该芯片包含两个区域：用于细胞破裂的电穿孔裂解（EL）区域和用于核酸检测的电化学检测（ED）区域，两者通过蛇形通道连接。

其中，EL区由两个电极组成，每个电极设计有6个矩形区域，彼此之间的距离为100μm，通过微通道的收缩设计，可以将电场强度集中在收缩区域，实现了电场强度的显著放大，通过注射泵的驱动，液体样本中的隐球菌的荚膜在流经EL区时被快速的电穿孔裂解并释放核酸。

随后，溶液会填充满整个ED区。在三电极系统的基础上，研究团队在ED区设计了三个独立的电化学检测单元，包括三个工作电极、一个公共参比电极和一个公共对电极。AuNPs可以与rGO上的氨基（-NH2）非共价结合，从而可以在工作电极上进行修饰。特异探针通过金-巯基（Au-S）相互作用共价连接到AuNPs层，并在其5'端修饰了亚甲基蓝（MB）分子。液体样本中的目标序列与工作电极上修饰的特异探针杂交后，MB分子从电极表面移开，导致电流减小，可以实现对目标序列的定量检测。

▲针对隐球菌两种亚型独有的核酸序列进行特异性检测及电微流控芯片的工作原理（图片来源：研究团队提供）

研究团队通过微分脉冲伏安法（DPV）研究了修饰电极的性能。通过DPV测试，两种亚型的检出限分别为60 pg/mL（NEO）和100 pg/mL（GAT）。

临床应用中，研究团队检测了北京世纪坛医院提供的20个随机样本，将其分为两组，其中一组通过芯片进行裂解检测，另一组样本用传统的实验室方法进行裂解以及扩增检测。

▲用实际样本测试微芯片性能的结果（图片来源：研究团队提供）

结果表明，相比传统方法至少需要2个小时，新的检测平台在较短时间内获得了与传统方法相同的检测结果，操作简单，灵敏度达到了100%。这些结果表明该平台在隐球菌检测中有着极好的灵敏度和实用性。

此外，研究团队强调，利用新型生物芯片的检测过程在封闭的环境中进行，避免了对周围环境和操作人员的污染，减轻了人员、时间和地点的负担。该芯片结合了高灵敏、快速的电化学检测、快速的隐球菌电穿孔裂解、核酸提取等技术，集样本制备和结果定量于一体，实现了“样本进，结果出”的目的，尤其是对于资源有限地区的隐球菌病快速、安全的医学诊断来说具有广阔的应用前景。

该研究的通讯作者为北航生物与医学工程学院常凌乾教授，医学科学与工程学院王杨副教授、董再再助理教授，安徽医科大学生物医学工程学院钱海生教授。第一作者为安徽医科大学生物医学工程学院的硕士研究生孔祥珠、程龙。安徽医科大学生物医学工程学院为第一作者单位。

参考资料：

[1] Xiangzhu Kong et al., (2024) Rapid Cryptococcus electroporated-lysis and sensitive detection on a miniaturized platform. Biosensors & Bioelectronics. Doi: https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116096