通過(guò)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生自身光源的動(dòng)物是自然界眾多奇觀之一，也是生物技術(shù)科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)努力復(fù)制并應(yīng)用于人類的方向。

如今，麻省總醫(yī)院百瀚醫(yī)學(xué)中心（Mass General Brigham）的研究人員取得了一項(xiàng)突破性進(jìn)展：他們通過(guò)改進(jìn)該化學(xué)反應(yīng)的配方，創(chuàng)造了一種生物發(fā)光診斷工具。該工具的亮度是現(xiàn)有模型的515倍，持續(xù)時(shí)間則延長(zhǎng)了8倍。它不僅更亮，而且在一小時(shí)后仍能保留96%的發(fā)光強(qiáng)度，一舉突破了現(xiàn)有工具面臨的障礙。

這種名為“發(fā)光級(jí)聯(lián)傳感器（Luminescence CAscade-based Sensor, LUCAS）”的工具，利用了產(chǎn)生生物發(fā)光的天然“成分” —— 發(fā)光分子熒光素（luciferin），它與熒光素酶（luciferase）發(fā)生反應(yīng)。傳統(tǒng)上，復(fù)制自然界發(fā)光效果雖可行，但效果有限。科學(xué)家們雖能產(chǎn)生這種反應(yīng)，卻一直無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持發(fā)光。然而，LUCAS還包含一種名為“β-半乳糖苷酶（beta-galactosidase）”的酶，它能附著在熒光素上，調(diào)控其發(fā)光特性的釋放。

因此，該工具不僅發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，而且持久性大幅提高，僅需一次反應(yīng)即可高效地檢測(cè)并點(diǎn)亮難以發(fā)現(xiàn)的病毒顆粒。

“開(kāi)發(fā)有效的診斷工具極具挑戰(zhàn)性，尤其是當(dāng)你想到傳染病顆粒的微小尺寸以及我們?cè)噲D在其中識(shí)別它們的復(fù)雜生物體液環(huán)境時(shí)，”該研究的資深作者、布萊根婦女醫(yī)院（Brigham and Women's Hospital）的研究員哈迪·沙菲（Hadi Shafiee）說(shuō)。“在人體血液樣本中尋找一個(gè)HIV顆粒，就像蒙著眼睛在一個(gè)裝滿果凍的奧運(yùn)游泳池里尋找一塊冰塊。憑借其新穎的酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)（enzyme cascade）方法，LUCAS在檢測(cè)這些復(fù)雜生物樣本中的病毒方面實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍。”

研究人員使用該新工具測(cè)試了177份含有病毒的患者樣本和130份含有病毒并感染了多種病原體（包括SARS-CoV-2、HIV、HBV或HCV）的血清樣本。我們所知的COVID-19（新冠病毒）樣本通過(guò)鼻拭子采集，其他樣本則通過(guò)血液采集。令人驚嘆的是，LUCAS能幫助科學(xué)家在23分鐘內(nèi)確定病毒種類，且對(duì)所有感染的檢測(cè)平均精確度超過(guò)94%。

受此突破的鼓舞，研究人員下一步將運(yùn)用LUCAS檢測(cè)其他生物體液中的病原體，并測(cè)試其能否在單個(gè)樣本中識(shí)別多種病毒。研究團(tuán)隊(duì)表示，該工具設(shè)計(jì)為便攜且易于使用，未來(lái)還可用于識(shí)別其他疾病的生物標(biāo)志物，例如已知的阿爾茨海默病標(biāo)志物。

“我們一直希望盡早檢測(cè)出感染和疾病，因?yàn)檫@對(duì)治療和長(zhǎng)期預(yù)后至關(guān)重要，”該研究的第一作者、沙菲實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員金成完（Sungwan Kim）說(shuō)。“我們專注于開(kāi)發(fā)靈敏、準(zhǔn)確且易于獲取的診斷工具，旨在使早期檢測(cè)比以往任何時(shí)候都更簡(jiǎn)便，并將個(gè)性化醫(yī)療推向一個(gè)新時(shí)代。”

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《自然-生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊上。

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