随着高病原性H5N1禽流感在美国的持续传播，对乳制品和家禽农场构成严重威胁，农民和公共卫生专家需要更好的实时感染监测方法，以减轻和应对疫情。新开发的病毒追踪器可以监测空气中的H5N1颗粒。
随着高病原性H5N1禽流感在美国的持续传播，对乳制品和家禽农场构成严重威胁，农民和公共卫生专家需要更好的实时感染监测方法，以减轻和应对疫情。得益于华盛顿大学圣路易斯分校的研究，该研究发表在ACS Sensors的“呼吸传感”特别期刊上，病毒追踪器有了一种监测H5N1气溶胶颗粒的方法。
为了创造他们的禽流感传感器，华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源、环境和化学工程教授拉贾·查克拉巴尔提（Rajan Chakrabarty）的实验室的研究人员，与电化学电容生物传感器合作，以提高病毒和细菌检测的速度和敏感性。
他们的工作恰逢其时，因为在过去一年中，禽类病毒以通过空气颗粒传播给包括人类在内的哺乳动物的方式变得更加危险。该病毒已被证明在猫中致命，并且至少有一起人类因H5N1死亡的案例。
“这种生物传感器是同类中首个，”查克拉巴尔提说，他谈及检测空气中病毒和细菌颗粒的技术。科学家们之前不得不使用较慢的检测方法，即聚合酶链反应DNA工具。
查克拉巴尔提指出，传统测试方法可能需要超过10小时，“对于阻止疫情来说太长了。”
新的生物传感器在五分钟内就能工作，保存微生物的样本以便进一步分析，并提供在农场检测到的病原体浓度水平范围。这使得可以采取立即行动，查克拉巴尔提说。
防止病毒暴发时，时间至关重要。当实验室开始进行这项研究时，H5N1仅通过与感染鸟类接触传播。
“随着这篇论文的发展，病毒也发生了变化；它突变了，”查克拉巴尔提说。
美国通过美国农业部动物和植物健康检查局（APHIS）跟踪动物健康和农场病原体暴发，最新报告显示，加利福尼亚州在内的四个州至少出现了35例新的H5N1乳牛病例。
“这次的毒株差异很大，”查克拉巴尔提说。
如果农民怀疑动物生病，可以将其送到州农业部门实验室进行检测。然而，这是一个缓慢的过程，可能因H5N1在家禽和乳制品农场的迅速传播而进一步延误。减轻疫情的选项包括生物安全措施，例如隔离动物、消毒设施和设备，以及限制动物接触的保护措施，包括大规模扑杀。美国农业部最近还为一种禽流感疫苗发放了有条件许可证，这可能进一步缓解急于降低蛋价的家禽农民的压力。
查克拉巴尔提准备将这种生物传感器推向世界，并指出它的设计便于便携和大规模生产。
工作原理
集成的病原体采样-传感单元约为桌面打印机的大小，可以放置在农场通风排气的位置，例如鸡舍或牛舍。该单元是一个跨学科的工程奇迹，由一个“湿式旋风生物气溶胶采样器”构成，该采样器最初开发用于采样SARS-CoV-2气溶胶。含病原体的空气以非常高的速度进入采样器，并与涂覆在采样器壁上的液体混合，形成一个表面涡流，从而捕获病毒气溶胶。该单元设有一个自动泵送系统，每五分钟将采样的液体送到生物传感器以实现无缝病毒检测。
查克拉巴尔提的高级科学家孟吴（Meng Wu）和研究生乔欣·库马尔（Joshin Kumar）进行了艰巨的工作，以优化电化学生物传感器的表面，提高其检测微量病毒（每立方米空气中少于100个病毒RNA拷贝）的灵敏度和稳定性。
生物传感器使用称为适体（aptamer）的“捕获探针”，它们是能够与病毒蛋白结合的单链DNA，进行标记。该团队面临的最大挑战是找到一种方法，使这些适体能够与裸碳电极的2毫米表面共同工作，检测病原体。
经过几个月的反复试验，团队找到了一种使用氧化石墨烯和普鲁士蓝纳米晶体的组合来修改碳表面的正确配方，以增加生物传感器的灵敏度和稳定性。最后一步是通过交联剂戊二醛将改性电极表面与适体连接，徐和库马尔称这是功能化裸碳电极表面以检测H5N1的“秘密配方”。
他们补充说，该团队检测技术的一个重要优点是它是非破坏性的。在检测病毒存在后，样本可保存以供使用传统技术如PCR进行进一步分析。
集成的病原体采样-传感单元自动工作——使用者无需具备生物化学专业知识。它是由便宜且易于大规模生产的材料制成的。生物传感器可以提供空气中H5N1的浓度范围，并实时提醒操作人员疾病的高峰。徐表示，了解这些水平可以作为设施中“威胁”的一般指标，并告知操作人员病原体平衡是否已倾斜到危险水平。
能够提供病毒浓度范围是传感器技术的又一个“首创”。
最重要的是，它有可能扩展到一次性找到许多其他危险病原体。
“这个生物传感器专门针对H5N1，但它可以被改编为检测其他流感病毒毒株（例如H1N1）和SARS-CoV-2以及气溶胶相中的细菌（大肠杆菌和假单胞菌），”查克拉巴尔提说。“我们已经展示了我们的生物传感器的这些能力，并在论文中报告了这些发现。”
该团队正在努力将生物传感器商业化。位于圣路易斯的生物技术公司Varro生命科学公司在生物传感器设计阶段与研究团队进行咨询，以促进其未来的商业化可能性。
这项研究的资金由流感实验室提供。
