微小磁珠产生光学信号可用于快速检测病原体

血液检测结果可能需要一天到一周的时间,具体取决于检测的目标。水污染和食品污染的检测也是如此。在大多数情况下,等待时间与样品处理和分析中的耗时步骤有关。

现在,麻省理工学院的工程师在广泛使用的一类磁珠中发现了一种新的光学特征,可用于在各种诊断测试中快速检测污染物。例如,该团队展示了该签名可用于检测食品污染物 沙门氏菌的迹象。

所谓的 Dynabeads 是微型磁珠,可以涂有与目标分子(例如特定病原体)结合的抗体。Dynabeads 通常用于实验,将它们混合到溶液中以捕获感兴趣的分子。但从那时起,科学家们必须采取额外的、耗时的步骤来确认这些分子确实存在并与珠子结合。

麻省理工学院的团队找到了一种更快的方法来确认 Dynabead 结合的病原体的存在,使用光学,特别是拉曼光谱。这种光学技术根据特定分子的“拉曼特征”或分子散射光的独特方式来识别它们。

研究人员发现,Dynabeads 具有异常强烈的拉曼特征,很容易被检测到,就像荧光标签一样。他们发现,这个签名可以充当“”。如果检测到,该信号可以在不到一个小时的时间内快速确认给定样本中确实存在目标病原体。该团队目前正在致力于开发一种便携式设备,用于快速检测一系列细菌病原体,并于今天在《拉曼光谱学杂志》特刊上报告了他们的结果 。

研究合著者说:“当医生试图缩小感染源的范围,以便更好地为抗生素处方提供信息,以及检测食物和水中的已知病原体时,这项技术将非常有用。”玛丽莎·麦克唐纳 (Marissa McDonald),哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生。“此外,我们希望这种方法最终能够在资源有限的环境中扩大对高级诊断的访问范围。”

麻省理工学院的研究合著者包括博士后研究员 Jongwan Lee;访问学者Nikiwe Mhlanga;研究科学家 Jeon Woong Kang;塔塔教授 Rohit Karnik,同时也是 Abdul Latif Jameel 水和食品系统实验室副主任;和机械工程系助理教授 Loza Tadesse。

油和水

在液体样本中寻找患病细胞和病原体需要耐心。

“这有点像大海捞针的问题,”塔德斯说。

存在的数量如此之少,以至于它们必须在受控环境中生长到足够的数量,并对它们的培养物进行染色,然后在显微镜下进行研究。整个过程可能需要几天到一周的时间才能得出可靠的阳性或阴性结果。

Karnik 和 Tadesse 的实验室一直在独立开发技术,以使用 Dynabeads 加速病原体检测过程的各个部分并使该过程变得便携。

Dynabeads 是市售的微型珠子,由磁性铁芯和可涂有抗体的聚合物外壳制成。表面抗体充当结合特定目标分子的钩子。当与液体(例如一小瓶血液或水)混合时,任何存在的分子都会聚集在 Dynabeads 上。使用磁铁,科学家可以轻轻地将珠子吸引到小瓶底部,并将它们从溶液中过滤出来。卡尼克的实验室正在研究如何进一步将珠子分为与目标分子结合的珠子和未结合的珠子。“不过,挑战在于,我们如何知道我们已经找到了我们想要的东西?” 塔德塞说。

珠子本身是肉眼看不见的。这就是 Tadesse 的工作发挥作用的地方。她的实验室使用拉曼光谱作为病原体“指纹识别”的方法。她发现不同的细胞类型以独特的方式散射光,可以用作识别它们的特征。

在团队的新工作中,她和她的同事发现Dynabeads还具有独特而强大的拉曼特征,可以充当令人惊讶的清晰信标。

“我们最初试图识别细菌的特征,但 Dynabeads 的特征实际上非常强,”Tadesse 说。“我们意识到这个信号可能是向你报告你是否有这种细菌的一种方式。”

测试信标

作为实际演示,研究人员将 Dynabeads 混合到被 沙门氏菌污染的小瓶水中。然后,他们将这些珠子磁性隔离到显微镜载玻片上,并测量暴露在激光下时光在液体中散射的方式。半秒之内,他们很快检测到了 Dynabeads 的拉曼特征,这证实了 Dynabeads 的结合,并由此 推断液体中存在 沙门氏菌。

“这可以用来快速给出肯定或否定的答案:是否存在污染物?” 塔德塞说。“因为即使是少数病原体也可能引起临床症状。”

该团队的新技术比传统方法要快得多,并且使用的元素可以改编成更小、更便携的形式——这是研究人员目前正在努力实现的目标。该方法也具有很强的通用性。

“沙门氏菌 是概念的证明,”塔德斯说。“你可以购买带有 大肠杆菌 抗体的 Dynabeads,同样的事情也会发生:它会与细菌结合,我们能够检测到 Dynabead 信号,因为信号非常强。”

该团队特别热衷于将该测试应用于脓症等疾病,因为在这些疾病中,时间至关重要,并且使用传统的实验室测试无法快速检测到引发该疾病的病原体。

“在很多情况下,比如败血症,致病细胞并不总是能在平板上生长,”卡尼克实验室成员李说。“在这种情况下,我们的技术可以快速检测出这些病原体。”

这项研究得到了麻省理工学院激光生物医学研究中心、国家癌症研究所和麻省理工学院安利捷水和食品系统实验室的部分支持。

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