병원체 검출을 위한 핵산 증폭의 나노플라즈몬 가속

Nature Nanotechnology 18권, 846~847페이지(2023)이 기사 인용

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DNA 및 RNA 증폭의 비색 검출을 가속화하기 위해 미세유체와 플라즈몬 열전자 주입을 결합하는 자동화 시스템은 인간 타액 샘플에서 95%의 검출 정확도를 달성하는 것으로 나타났습니다. 이 기술은 병원체 식별을 위해 다양한 증폭 분석을 사용하며 바이러스 변종과 하위 유형을 구별할 수 있습니다.

핵산 검출 및 핵산 프로브를 통한 복제(증폭 분석)에 기반한 분석과 관련된 긴 프로토콜로 인해 시료 준비부터 결과까지의 과정을 자동화하는 것은 말할 것도 없고 필요한 시점에 병원체를 신속하게 검출하는 것이 어렵습니다1. 이러한 제한은 발병률 증가로 인해 전 세계 인구와 경제에 점점 더 영향을 미치는 바이러스성 호흡기 감염의 확산 관리에 관한 의사 결정을 방해합니다. 이러한 한계는 진단 테스트를 개발하고 사용하려는 전 세계적인 노력이 있었던 코로나19 팬데믹 초기 단계에서 특히 부각되었습니다. 현재 항원 검사는 간단하고 빠른 작동으로 인해 필요 시점 설정에 선택되는 검사입니다. 그러나 항원 검사는 중합효소연쇄반응(PCR) 검사보다 민감도가 낮기 때문에2 감염 시작 시 의료 결정에 대한 정보를 제공하는 데 적용하기가 어렵습니다.

우리는 단일 뉴클레오티드 분해능에서 라벨이 없는 정량적 비색 판독을 얻기 위한 기술인 QolorEX를 제안합니다. 이 기술은 몇 분 내에 결과를 얻을 수 있습니다. 이 접근법은 페놀 레드 기반 역전사 루프 매개 등온 증폭(RT-LAMP) 및 롤링 서클 증폭(RCA) 비색 분석3을 소형화된 플라즈몬 나노표면 미세유체와 통합하여 플라즈몬 핫스팟 촉매작용4을 달성합니다. 증폭 반응을 간소화하기 위해 우리는 조정 가능한 각도 의존적 ​​미세유체 작동을 사용하여 샘플 수집, 용해, 분석 시약 추가, 핵산 증폭 및 검출의 전체 주기를 통합하는 미세유체 카트리지를 개발했습니다(그림 1a). 사용자가 유발한 오류를 줄이기 위해 우리는 사용자의 입력 없이 미세 유체 카트리지를 처리, 가열 및 이미지화하는 자동화된 액추에이터가 있는 조명 결합 이미징 상자를 개발했습니다. 이 자동화를 통해 사용자는 휴대폰 애플리케이션의 버튼을 탭하여 미세유체 카트리지의 순차적 작동을 시작할 수 있습니다. 비색 판독값은 이미징 박스에 통합된 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 카메라에 의해 자동으로 감지됩니다. 그런 다음 기계 학습 알고리즘이 판독값을 분석하고 긍정적이거나 부정적인 결과를 설정합니다. 그 결과는 사용자의 휴대폰으로 전송됩니다.

a, QolorEX의 작동 개략도. 사용자는 수집 깔대기에 타액을 뱉고 미세유체 카트리지를 이미징 상자 안에 넣습니다. 결과는 스마트폰 앱을 통해 자동으로 전달된다. b, 빛 여기 시 플라즈몬 나노물질은 반응 인터페이스의 과잉 전자로 인해 증폭 분석을 가속화합니다. 증가된 증폭률은 양성자 생성 속도를 증가시켜 배지의 pH를 감소시켜 페놀 레드가 표적 병원체가 있는 경우 자홍색에서 노란색으로 빠르게 색상을 변경하게 합니다(삽입 그림 참조). dNTP, 데옥시리보뉴클레오티드 삼인산염; DOS, 상태 밀도; E, 에너지; EF, 페르미 에너지; ф분석, 산화 반응 개시 에너지; ħΩ, 광자 에너지; ΔV, 감지 챔버 부피. © 2023, AbdElFatah, T. 외.

우리는 QolorEX를 사용하여 얻은 신속한 비색 판독이 자체 조립된 플라즈몬 나노입자의 표면에서 감지 챔버의 샘플과 분석 시약의 혼합물로 빛에 여기된 '뜨거운' 전자를 주입하는 데 크게 의존한다는 것을 입증했습니다. 이러한 열전자는 증폭의 중합 단계에서 친핵성 반응을 가속화하여 결과적으로 페놀 레드가 자홍색에서 노란색으로 라벨이 없는 pH 의존적 색상 변환을 초래합니다(그림 1b). 우리는 400nm 직경의 나노입자를 갖는 플라즈몬 표면이 다른 나노입자 크기를 갖는 플라즈몬 표면보다 더 높은 전자기장 강화 및 관련 플라즈몬 핫스팟 촉매 효과를 제공하여 증폭 반응 속도가 평균 9배 가속된다는 것을 발견했습니다.