病原体検出のための核酸増幅のナノプラズモン加速

Nature Nanotechnology volume 18、pages 846–847 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

マイクロ流体工学とプラズモン熱電子注入を組み合わせて DNA および RNA 増幅の比色検出を加速する自動システムは、ヒトの唾液サンプルにおいて 95% の検出精度を達成することが示されています。 この技術では、病原体の同定にさまざまな増幅アッセイを使用し、ウイルスの変異型とサブタイプを区別できます。

核酸の検出と核酸プローブによる複製に基づくアッセイ（増幅アッセイ）に伴うプロトコルは長く、必要な時点で病原体を迅速に検出することは困難であり、ましてやサンプル調製から結果までのプロセスを自動化することは困難です1。 この制限は、発生率の上昇により世界の人口と経済にますます影響を与えるウイルス性呼吸器感染症の蔓延の管理に関する意思決定を妨げています。 このような制限は、診断検査の開発と使用に世界的な取り組みが行われていた新型コロナウイルス感染症パンデミックの初期段階で特に強調されました。 現在、抗原検査は、操作が簡単で迅速であるため、必要な時点での設定に最適な検査です。 しかし、抗原検査はポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) 検査よりも感度が低く 2、感染症発症時の医療上の意思決定に情報を提供する際の適用性を妨げています。

私たちは、数分以内に結果を得ることができる、単一ヌクレオチド分解能でラベルフリーの定量的比色測定値を取得するための技術 QolorEX を提案します。 このアプローチは、フェノールレッドベースの逆転写ループ媒介等温増幅 (RT-LAMP) およびローリングサークル増幅 (RCA) 比色アッセイ 3 を小型プラズモニック ナノ表面マイクロ流体工学と統合し、プラズモニック ホットスポット触媒作用 4 を実現します。 増幅反応を効率化するために、調整可能な角度依存のマイクロ流体作動を使用して、サンプル収集、溶解、アッセイ試薬の添加、核酸増幅、検出の全サイクルを統合するマイクロ流体カートリッジを開発しました（図1a）。 ユーザーが引き起こすエラーを減らすために、ユーザーからの入力を必要とせずにマイクロ流体カートリッジの取り扱い、加熱、画像化を行う自動アクチュエーターを備えた照明連動型イメージングボックスを開発しました。 この自動化により、ユーザーは携帯電話アプリケーションのボタンをタップして、マイクロ流体カートリッジの一連の操作を開始できるようになります。 比色測定値は、イメージング ボックスに統合された相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) カメラによって自動的に検出されます。 次に、機械学習アルゴリズムが読み取り値を分析し、肯定的または否定的な結果を確立します。 その後、結果がユーザーの携帯電話に送信されます。

a, QolorEX の動作の概略図。 ユーザーは唾液を収集漏斗に吐き出し、マイクロ流体カートリッジをイメージング ボックス内に置きます。 結果はスマートフォンのアプリを通じて自動的に中継されます。 b. 光励起すると、プラズモニック ナノマテリアルは、反応界面での過剰な電子により増幅アッセイを加速します。 増幅速度の増加によりプロトンの生成速度が増加し、培地のpHが低下し、標的病原体の存在下でフェノールレッドの色がフクシアから黄色に急速に変化します（挿入図に表示）。 dNTP、デオキシリボヌクレオチド三リン酸。 DOS、状態密度。 E、エネルギー。 EF、フェルミエネルギー。 ϕアッセイ、酸化反応開始エネルギー。 ħω、光子エネルギー。 ΔV、感知チャンバーの容積。 © 2023、AbdElFatah、T. 他。

我々は、QolorEX で得られる迅速な比色測定値が、自己集合プラズモニック ナノ粒子の表面からセンシング チャンバー内のサンプルとアッセイ試薬の混合物への光励起「ホット」電子の注入に強く依存していることを実証しました。 これらのホットエレクトロンは、増幅の重合ステップにおける求核反応を加速し、その結果、ラベルフリーの pH 依存性フェノールレッドのフクシア色から黄色への色変化が起こります (図 1b)。 私たちは、直径 400 nm のナノ粒子を備えたプラズモニック表面は、他のナノ粒子サイズを備えたプラズモニック表面よりも高い電磁場増強とそれに伴うプラズモニック ホットスポット触媒効果を提供し、その結果、増幅反応速度が平均 9 倍加速されることを発見しました。