来自哈佛大学和麻省理工学院的威斯生物启发工程研究所的一组研究人员发现了一种方法，将合成生物反应嵌入织物中，创造出可穿戴生物传感器，可以定制检测病原体和毒素，并提醒穿戴者。该团队将这项技术集成到标准口罩中，以检测患者呼吸中是否存在SARS-CoV-2病毒。
这种按钮激活的口罩能在90分钟内给出与聚合酶链反应(PCR)等标准核酸诊断测试相媲美的结果。这项成果发表在《自然·生物技术》杂志上。
魏斯研究所(Wyss Institute)的研究科学家、共同第一作者彼得•阮(Peter Nguyen)表示:“我们基本上把整个诊断实验室缩小到了一个小型的、基于合成生物的传感器，可以与任何口罩一起工作，并将PCR测试的高准确性与抗原测试的速度和低成本结合起来。”“除了口罩，我们的可编程生物传感器还可以集成到其他服装中，随时检测危险物质，包括病毒、细菌、毒素和化学制剂。”
把细胞排除在外
SARS-CoV-2生物传感器是3年可穿戴式冻干无细胞(wFDCF)技术研究的成果，该技术建立在Wyss核心教员和资深作者吉姆·柯林斯(Jim Collins)实验室的早期迭代成果之上。该技术包括提取和冷冻干燥分子机制，细胞用来读取DNA和产生RNA和蛋白质。这些生物元素可以长期保存，激活它们很简单:只需加水。人造遗传电路可以用来制造生物传感器，这种传感器可以对目标分子的存在产生可检测信号。
2015年，研究人员首次将这种技术应用于诊断，将其集成到应对寨卡病毒爆发的工具中。他们发明了生物传感器，可以检测病原体来源的RNA分子，并将其与有色或荧光指示蛋白结合，然后将遗传电路嵌入到纸中，从而制造出廉价、准确、便携的诊断方法。继他们成功地将生物传感器植入纸张之后，他们将目光投向了可穿戴的纸张。
其他研究小组也已经开发出了可以感知生物分子的可穿戴设备，但这些技术都需要将活细胞植入可穿戴设备本身，就像用户戴着一个微型水族馆一样。如果水族箱坏了，这些设计好的虫子就会泄漏到佩戴者身上，没有人喜欢这个想法。”阮说。他和他的队友们开始研究他们的wFDCF技术能否解决这个问题，他们在100多种不同的织物上进行了系统的测试。
随后，新冠肺炎大流行爆发。
从可穿戴设备转向口罩
“我们想为全球抗击病毒的努力做出贡献，于是我们提出了将wFDCF集成到口罩中来检测SARS-CoV-2的想法。从2020年5月开始，整个项目都是在隔离或严格的社交距离下完成的。我们努力工作，有时把非生物设备带回家，手工组装设备。这绝对不同于我们通常工作的实验室基础设施，但我们所做的一切都帮助我们确保传感器能够在现实世界的流行病条件下工作，”维斯研究所博士后、共同第一作者路易斯·森克森(Luis Soenksen)说。
该团队动用了Wyss研究所的所有资源来开发他们的新冠肺炎检测口罩，包括Core Faculty成员尹鹏实验室开发的足趾开关和柯林斯实验室开发的SHERLOCK传感器。最终的产品由三种不同的冻干生物反应组成，通过按下一个按钮，水库的水就会被依次激活。
第一种反应是切开SARS-CoV-2病毒的细胞膜，暴露其RNA。第二个反应是一个扩增步骤，从病毒RNA中制造大量的棘突编码基因的双链拷贝。最后的反应是使用基于crispr的SHERLOCK技术来检测任何Spike基因片段，然后将探针分子切成两个更小的片段，然后通过横向流动分析条报告。是否有刺状碎片可供切割，取决于患者呼吸中是否有SARS-CoV-2。这种差异反映在设备读数部分的简单线条模式的变化中，类似于家用怀孕测试。
wFDCF口罩是首个能够在室温下完全操作的高准确率SARS-CoV-2核酸检测，无需加热或冷却仪器，可在实验室外快速筛查患者样本。
“这项工作表明，我们的冻干、无细胞合成生物学技术可以扩展到可穿戴设备，并用于新的诊断应用，包括开发口罩诊断。我特别感到自豪的是，我们的团队在大流行期间团结起来，为解决世界上的一些测试挑战创造了可部署的解决方案。”麻省理工学院的科学。
2019冠状病毒病大流行之后
从某种程度上来说，口罩诊断技术为该团队锦上添。为了使他们的技术真正可穿戴，该团队克服了无数挑战，包括在一个灵活、不引人注意的设备中捕捉液体物质的液滴，以及防止蒸发。为了简化制造和降低成本，口罩诊断省略了电子元件，但将更多永久性元件集成到系统中，开辟了广泛的其他可能的应用。
在他们的论文中，研究人员证明了可以将光纤网络集成到他们的wFCDF技术中，以检测生物反应产生的荧光，表明对目标分子的检测具有高水平的准确性。这个数字信号可以发送到一个智能手机应用程序，让佩戴者监控自己接触的各种物质。
“这项技术可以被纳入实验室外套科学家使用危险材料或病原体,为医生和护士实习医生风云,或应急部门人员和军事人员的制服可以暴露于危险的病原体或毒素,如神经毒气,”合著者尼娜Donghia说,Wyss研究所的科学家。
该团队正在积极寻找有兴趣帮助大规模生产用于COVID-19大流行期间以及用于检测其他生物和环境危害的口罩的生产合作伙伴。
“这个团队在前所未有的条件下工作，创造一个对抗致命流行病的有用工具，其独创性和奉献精神令人印象深刻。但更令人印象深刻的是，这些可穿戴生物传感器可以应用于除SARS-CoV-2之外的各种健康威胁，我们威斯研究所渴望与商业制造商合作，以实现这一潜力，”威斯研究所的创始主任唐·因格伯(Don Ingber)说。Ingber还是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学的Judah Folkman教授和哈佛约翰A.保尔森工程与应用科学学院的生物工程教授
该论文的其他作者包括来自维斯研究所和麻省理工学院的尼古拉·m·安根特-马里和海伦娜·德·普伊格;前Wyss和麻省理工学院成员Ally Huang现在在Ampylus;Wyss研究所的Rose Lee、Shimyn Slomovic、Geoffrey Lansberry、Hani salum、Evan Zhao和James Niemi;还有梦幻之家的托马索·加尔贝尔萨尼尼。
这项研究得到了美国国防威胁减少局(Defense Threat Reduction Agency)的资助，资助资金为HDTRA1-14-1-0006、保罗·g·艾伦先锋集团(Paul G. Allen Frontiers Group)、哈佛大学威斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for biological Inspired Engineering)、强生公司(Johnson &Johnson获得了J&J Lab Coat of the Future QuickFire Challenge奖，CONACyT赠款342369 / 408970,MIT-692 TATA Center fellowship 2748460。
文章旨在传播新闻信息，原文请查看https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/06/wyss-institute-develops-face-masks-to-detect-covid/