芯片级光子生物传感器应用于新冠肺炎病毒免疫检测

这一总额为530万美元的项目致力于为全球市场打造更小、更灵活的基于光子生物传感技术的读取器。

随着具有高度传染性的新冠肺炎（Covid-19）病毒变体的激增，两位美国研究人员正在通过使用芯片级光子生物传感器进行更广泛的免疫检测来阻止疫情蔓延。

罗彻斯特大学（University of Rochester）教授Ben Miller表示：“我们正在做的研究，展示了如何快速使检测分析适应新的新冠病毒变体。”

罗彻斯特大学生物医学工程教授Ben Miller

他补充说：“我们的芯片不仅可以检测来自一种病毒的一种蛋白质，还可以检测几种不同的变体，并在一分钟左右的时间内找出是否存在与其它变体结合的抗体。”反过来，这些信息可以帮助指导医疗响应。

据麦姆斯咨询报道，该芯片可能会在2024年上市，它大约为25毫米见方，厚度约为3毫米。该传感器系统使用氮化硅材料，不仅适用于新冠肺炎，还可以用于对流感和许多其他疾病进行免疫检测。

研究团队成员纽约州立大学理工学院（SUNY Poly）（位于罗彻斯特以东200英里的奥尔巴尼市）教授Nate Cady表示，该项目的主要产业合作伙伴，位于纽约州罗彻斯特市的奥森多医疗（Ortho-Clinical Diagnostics），正在为其客户群打磨未来的产品。奥森多医疗最初是从柯达分拆出来的，最近已被Quidel收购。

另一家位于罗彻斯特的产业合作伙伴——Syntec Optics，将通过注塑成型制作一次性分析零件。

位于美国纽约州奥尔巴尼市的AIM Photonics，曾为Ben Miller先前的基于诊断的研究制造了数千个芯片，也将为新的基于免疫的项目设计封装。

如果新的新冠肺炎病毒变体出现，即使是在一个没有昂贵医疗设备的社区，未经高级培训的工作人员也可以快速调整芯片以检测针对最新变体的免疫情况，这展示了光子学方法的优势。

AIM Photonics通过美国救援计划基金获得了500万美元的研究拨款。该计划于2021年颁布，旨在向各机构提供1.9万亿美元以抗击这场已在全球范围内造成至少600万人（可能更多）死亡的疫情。

通过检查血液样本，AIM Photonics制作的芯片将进行准确的病毒免疫检测，以观察患者是否仍然具有来自新冠肺炎抗体的保护。这些检测将回答诸如“疫苗接种有效吗？我有对应的抗体吗？这种免疫力能持续多久？我需要再来一剂加强针吗？”等等的问题。

Cady表示：“这项光子技术在实验室已经证明有效，但它还没有成熟条件投入生产，这是新资助要解决的核心问题。”2020年，Miller领导的项目团队设计了一种体积小且价格低廉的芯片，以进行新冠肺炎抗体检测。虽然分析耗材体积小且价格低廉，但它需要使用价值15万美元的实验室激光系统进行读取和分析。

Miller表示：“新的小型化器件是该项目的成果之一，用于检测血液样本中与新冠病毒（2019 SARS CoV-2）结合的各种抗体。”

“更便宜更小型的读取器”

现在，他们的目标是使读取器更小、更便宜、足够简单，无需经过大量培训即可实现临床应用。“我们需要知道，我们可以把它小型化到什么程度？”Cady表示，“我们正在颠覆抗原检测。我们将病毒片段放在带有光子传感器的芯片上，在血液中寻找抓住芯片上病毒片段的抗体。”

基于光子生物传感技术的即时检测系统

这个新项目被称为冠状病毒经济应对快速援助（RACER）。一些拨款将供应AIM Photonics芯片光子代工厂的制造以及支持进行这项复杂研究的人才。

项目的学术合作伙伴包括罗彻斯特理工学院（RIT）、纽约州立大学理工学院（SUNY Polytechnic Institute）、加州大学圣巴巴拉分校（the University of California Santa Barbara）和美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Lab）。

简而言之，Miller表示，新研究不再只是从一种病毒感染中寻找一种蛋白质，而是要研究几种不同的蛋白质，进而调整分析方法。有关免疫保护的信息将是指导人们决定是否再次接种疫苗的核心。

“这将告诉我们，如果有一个新的变种并且我接受了血液检测，我会知道我从疫苗接种或先前感染中获得的抗体是否与它结合。”Miller表示，“我可能需要一种新疫苗，也可能不需要。”

最常见的病毒检测方法被称为PCR（Polymerase Chain Reaction），“对于诊断新冠肺炎非常有用。”Miller表示，“但没有好的免疫PCR检测。我们将帮助人们了解他们的免疫状况。”

Miller与AIM Photonics合作的第二个研究主题将侧重于向生活在资源有限环境（附近没有医院或其他更综合系统的偏远或农村地区）中的居民提供新冠肺炎信息。

当诊断实验室运行诊断分析来检查血液样本时，样本通常需要在资源丰富的设施（如医院或临床实验室环境）中通过复杂的光学系统进行检测。

“这就是RIT的研究方向，使读取器光学系统小型化。”Miller表示。然后，可以在医疗点（可能是医生办公室）以最少的资源读取检测信息。

Miller表示，这项研究工作可能需要两年时间。除此之外，他希望能有一家大公司愿意合作推动这项技术向前发展，“与之携手，共同向前奔跑。我们必须让技术走得更远，以使该公司值得为此目标投入。”

除了免疫分析外，Miller还表示，该项目还将检测与Covid-19感染相关的人类蛋白质的感测技术。Miller表示：“这是扩展该技术在新冠肺炎应对中的实用性的重要方法，也将证明一次性卡片芯片概念可用于广泛的人类免疫诊断。”

Miller表示，全世界都会对这款产品有兴趣，但他表示“现在还为时过早”去谈论是美国还是海外的公司来带头商业化该产品。

“这款产品明年应该还无法进入沃尔格林（Walgreen）零售药店。”他表示，“但是，当条件成熟时，我们期待能有一家公司来推动它的临床应用。”