作者：Leah Shaffer，华盛顿大学圣路易斯分校 2025 年 3 月 6 日
华盛顿大学研制出一种新型生物传感器，可在五分钟内检测出空气中的 H5N1 病毒，为控制疫情提供了更快、更有效的工具。
随着高致病性 H5N1 禽流感继续在美国蔓延，对奶牛场和家禽养殖场构成严重威胁，农民和公共卫生专家都需要更有效的实时方法来监测感染、降低风险和应对疫情。得益于华盛顿大学圣路易斯分校在《ACS Sensors》杂志特别版上发表的关于“呼吸感应”的研究，病毒追踪器现在有办法检测 H5N1 的气溶胶颗粒。
为了开发禽流感传感器，华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源、环境和化学工程教授 Rajan Chakrabarty 实验室的研究人员使用电化学电容式生物传感器来提高病毒和细菌检测的速度和灵敏度。
他们的工作时机至关重要，因为禽流感病毒在过去一年中发生了危险的转变，通过空气中的颗粒传播给包括人类在内的哺乳动物。该病毒已被证明对猫是致命的，并且至少有一例人类死于 H5N1 的病例。
Chakrabarty 在谈到用于检测空气中病毒和细菌颗粒的技术时表示：“这种生物传感器是同类产品中的首创。”此前，科学家们不得不使用速度较慢的聚合酶链式反应 DNA 工具检测方法。
快速检测，立即响应
Chakrabarty 指出，传统检测方法可能需要 10 多个小时，“太长了，无法阻止疫情爆发。”
新型生物传感器可在五分钟内工作，保存微生物样本以供进一步分析，并提供农场检测到的病原体浓度范围。Chakrabarty 说，这可以立即采取行动。
时间对于预防病毒爆发至关重要。当实验室开始进行这项研究时，H5N1 只能通过与受感染的鸟类接触传播。
“随着这篇论文的发展，病毒也在发展；它发生了变异，”Chakrabarty 说。
美国通过美国农业部动植物卫生检验局 (APHIS) 跟踪动物健康和农场病原体爆发情况，该局最近报告称，在过去 30 天内，四个州至少有 35 例新的奶牛 H5N1 病例，其中大部分发生在加利福尼亚州。
“这次的菌株非常不同，”Chakrabarty 说。
如果农民怀疑患病，他们可以将动物送到州农业部实验室进行检测。然而，这是一个缓慢的过程，由于 H5N1 病毒席卷家禽和奶牛场，病例积压可能会进一步推迟。缓解措施包括生物安全措施，如隔离动物、对设施和设备进行消毒，以及限制动物接触的保护性控制，包括大规模扑杀。美国农业部最近还颁发了禽流感疫苗的有条件许可证，这可能会为渴望降低鸡蛋价格的家禽农民提供进一步的救济。
Chakrabarty 准备向全世界推出这种生物传感器，并指出它的设计旨在实现便携性和价格实惠，以实现大规模生产。
Chakrabarty 的高级研究员 Meng Wu 与研究生 Joshin Kumar 一起承担了一项艰巨的任务，即优化电化学生物传感器的表面，以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的“捕获探针”，它们是与病毒蛋白结合并标记它们的单链 DNA。该团队面临的最大挑战是找到一种方法让这些适体与 2 毫米裸碳电极表面配合使用以检测病原体。
经过数月的反复试验，该团队找到了正确的配方，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，以提高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起来，徐和库马尔称，这是使裸碳电极表面功能化以检测 H5N1 的“秘密武器”。
他们补充说，该团队的检测技术的一个巨大优势是它是非破坏性的。在检测出病毒存在后，样本可以储存起来，以便通过 PCR 等传统技术进行进一步分析。
集成的病原体采样传感装置自动工作——无需具备生物化学专业知识即可使用它。它由价格实惠且易于批量生产的材料制成。生物传感器可以提供空气中 H5N1 的浓度范围，并实时提醒操作员疾病激增。徐说，了解这些水平可以作为设施中“威胁”的一般指标，并让操作员知道病原体平衡是否已达到危险水平。
提供一系列病毒浓度的能力是传感器技术的另一个“第一”。
最重要的是，它可以扩大规模，在一个设备中发现许多其他危险病原体。
Chakrabarty 表示：“这种生物传感器专门针对 H5N1，但可以用于检测气溶胶相中的其他流感病毒株（例如 H1N1）和 SARS-CoV-2 以及细菌（大肠杆菌和假单胞菌）。”“我们已经展示了我们的生物传感器的这些功能，并在论文中报告了研究结果。”
参考文献：“电容式生物传感器用于快速检测气溶胶中的禽流感（H5N1）和大肠杆菌”，作者：Joshin Kumar、Meng Xu、Yuezhi August Li、Shu-Wen You、Brookelyn M. Doherty、Woodrow D. Gardiner、John R. Cirrito、Carla M. Yuede、Ananya Benegal、Michael D. Vahey、Astha Joshi、Kuljeet Seehra、Adrianus C.M. Boon、Yin-Yuan Huang、Joseph V. Puthussery 和 Rajan K. Chakrabarty，2025 年 2 月 21 日，ACS Sensors。
DOI：10.1021/acssensors.4c03087
该团队正在努力将生物传感器商业化。圣路易斯生物技术公司 Varro Life Sciences 在生物传感器的设计阶段与研究团队进行了磋商，以促进其未来可能的商业化。
原文连接: https://scitechdaily.com/revolutionary-bird-flu-sensor-detects-h5n1-in-minutes/
2025年3月7日,顾震帝整理.