世界性病毒传播的快速检测 有可能被这种新材料解决吗？

1. 前言介绍

病毒是一种由蛋白质外壳中的核酸分子组成的亚显微感染因子。这种结构上的简单意味着病毒不能自己复制，必须渗透并隔离活细胞的繁殖机制来进行自身的繁殖。病毒颗粒是导致诸如水痘、流感、SARS、埃博拉、获得性免疫缺陷综合征(艾滋病)等大量疾病的原因。一般来说，病毒颗粒的小尺寸(通常从20到900 nm)使它们难以分离。此外，它们的结构简单性赋予了快速的自发适应和进化，这可能通过直接的基因突变、基因替换或重组来实现。

病毒引起的病理学实验室诊断在疫情应对工作和建立安全、快速的检测策略方面发挥着关键作用。使用商业解决方案检测致病病毒需要特定的工具和费力的实验室程序。这使得每天按时检测病毒感染成为任何疫情的限制步骤。因此人们迫切需要新的诊断工具，这些工具快速提供给卫生基础设施和训练有素的人员稀缺的贫困和农村欠发达地区。金属-有机框架（MOF）广为人知的内在特性有可能克服病毒检测固有的一些挑战。MOF 已经是功能性器件的组成部分，能够实现不间断地检测分子靶标。在这里我们总结了关于用作致病病毒传感器的MOFs的研究报道。

2. MOFs在病毒感染检测中的应用

MOFs体现了固有特性的独特组合，使其成为分子识别和生物传感应用的优秀候选材料:高孔隙率、大表面积、高结晶度、开放的结构、易于调节的化学组成，并且它们可以通过合成后功能化的形式以多种方式进行改性。此外，还发现许多MOFs具有较低的细胞毒性，是生物分子固定和保护的良好基质。

近年来，MOFs生物传感平台开发了不同的医学和临床应用，例如:a)癌症或糖尿病等疾病的快速诊断和治疗；b)病原体检测；c)药物及其代谢物的测量；d)发现新药，e)评估和测量生物样品中的分析物，并使用快速测试早期检测疾病。此外，对MOFs的光吸收和发射特性的调控可以促进对细胞和生物分子的特异性分子识别。

最常报道的病毒检测方法是基于病毒核酸序列的鉴定。多核苷酸作为开发生物杂交系统的平台，该系统含有一条发射染料标记的核酸链，该核酸链具有与靶病毒核酸互补的序列。图1描述了病毒核酸检测中使用的基于多核苷酸荧光的方法所涉及的一般机制。

图1. 基于MOFs促进的探针发射恢复的不同目标检测过程的示意图。

2.1 埃博拉病毒

埃博拉病毒（EV）属包括六个已知物种，以它们首次被发现的地区命名:扎伊尔埃博拉病毒(ZEV)、苏丹埃博拉病毒(SEV)、塔林埃博拉病毒(TFEV)、本迪布焦埃博拉病毒(BBEV)、莱斯顿埃博拉病毒(REV)和邦巴利埃博拉病毒(BEV)。这些毒株中有四种(SEV、BBEV、TFEV和ZEV)可以感染人类，有些在过去曾引起严重的出血热暴发。最近的一个例子是ZEV，它造成了2014年西非的一次毁灭性打击。该疾病的严重性、其高传染性传播潜力以及在有效疫苗开发方面缺乏重大进展，使得人们对早期检测，特别是在最常见的受影响地区的早期检测高度重视。因此，目前需要同时具有高灵敏度和快速响应的生物传感器。

Anal. Chem.：3D Cu基两性离子MOFs病毒选择性荧光生物传感器

南方医科大学的陈金香和陈文华两位教授制备了一种水相稳定的三维铜基金属有机框架(MOF)。该MOF具有独特的孔隙形状，带有芳香环、带正电荷的吡啶和不饱和的Cu(II)阳离子中心、游离羧酸、镶嵌的H₂O和配位的SO₄²⁻在孔隙表面。该MOF可以通过静电、π-stacking和/或氢键与两个羧基荧光素(FAM)标记的单链DNA序列相互作用形成两个P-DNA@MOF体系，从而通过光诱导电子转移过程猝灭FAM的荧光。这些P-DNA@MOF系统可作为有效的荧光传感器用于人类免疫缺陷病毒1双链DNA和苏丹病毒RNA序列，检测限分别为196 pM和73 pM，这表明敏感性高，远低于患者通常的病毒载量，在疾病进展的第二天，病毒载量可高达10⁷ RNA copies/mL。  

Platforms Formed from a Three-Dimensional Cu-Based Zwitterionic Metal–Organic Framework and Probe ss-DNA: Selective Fluorescent Biosensors for Human Immunodeficiency Virus 1 ds-DNA and Sudan Virus RNA Sequences. Anal. Chem. 2015, 87, 24, 12206–12214

这项研究为在基于MOFs生物传感器检测病毒的开发中更广泛地使用这些策略或其改性铺平了道路。例如，它显然引发了这样一个问题:由于使用更长的探针DNA序列，使用更大孔径的MOFs如何影响病毒检测。  

Chem. Comm.: 含镝的两性羧酸盐的水稳定MOFs:埃博拉病毒RNA序列的传感平台

2016年南方医科大学的陈金香和陈文华两位教授报告了一种水稳定的3D镝基金属有机框架(MOF)，可以与探针ss-DNA非共价相互作用。该体系可作为检测埃博拉病毒互补RNA序列的有效荧光传感平台，检测限为160 pM。

A water-stable metal–organic framework of a zwitterionic carboxylate with dysprosium: a sensing platform for Ebolavirus RNA sequences. Chem. Commun., 2016,52, 132-135

这两篇文章在本质上是非常互补的，因为它们清楚地表明，MOFs的性质对总体反应有很大的影响。然而，这两篇文章都没有研究重要的细节，例如，每种多金属氧化物的晶体形态(颗粒大小和表面积)对与标记的DNA探针的相互作用以及对传感机制的影响。此外，这两份报告中没有孔隙度测量值。

前人已述MOFs是多功能平台，适用于多种分析物的检测。这种多重作用已经被实际应用于在非常早期阶段检测EV感染。众所周知，埃博拉病毒和其他单链RNA病毒家族的病毒会产生小的非编码RNA序列，称为微RNA (miRNA)，在非常早期的患者血液中出现。因此，miRNA和SEV RNA序列的双重检测可以实现疾病的准确和早期检测，提供更简单、更快和更便宜的诊断工具。[Talanta 180 (2018) 396–402.] 然而，必须注意的是，MOFs生物传感平台仍处于早期开发阶段，仅作为这一概念适用性的证明。下一步实施基于MOFs的检测，必然意味着将它们整合到一个可工作的便携式设备中，并在选定的组件中重新评估它们的功能。

2.2 人类免疫缺陷病毒

人类免疫缺陷病毒(艾滋病毒)是获得性人类免疫缺陷综合征(艾滋病)的病原体。艾滋病毒是一种逆转录病毒，其遗传信息由一条RNA单链编码。为了复制，病毒RNA需要转化为双链DNA (dsDNA)，并通过称为逆转录的过程整合到感染细胞的基因组中。宿主细胞整合的艾滋病毒DNA被称为前病毒DNA，它可以保持潜伏或被转录以产生新的病毒颗粒。更重要的是，在已经接受艾滋病毒药物治疗的患者中存在前病毒脱氧核糖核酸是病毒对治疗产生耐药性的良好指标。

Analyst: MOF MIL-101作为低背景信号平台用于无标记DNA检测的

西南大学的李原芳教授和赵希娟副教授引入MIL-101(Cr₃F(H₂O)₂O[(O₂C)–C₆H₄—(CO₂)]₃·nH₂O)作为淬灭平台，以降低SYBR Green I(SG)/探针DNA复合物的高背景荧光。机理研究表明，MIL-101可以通过π-π堆积和静电相互作用强烈吸附SG/探针DNA复合物，结果SG染料的荧光被大大猝灭。而在有靶DNA存在的情况下，DNA的初生刚性双链(ds)结构会远离MIL-101的表面；同时，SG染料可以以嵌入和小凹槽结合的方式与dsDNA结合，导致SG染料荧光增强。

Metal-organic framework MIL-101 as a low background signal platform for label-free DNA detection. Analyst, 2014, 139, 801-806

利用吸附SYBR Green I的ssDNA探针，将其与MIL-101(Cr)结合，可有效检测ssHIV-1病毒DNA。目标单链与探针快速杂交形成dsDNA。在0.1-14 nM范围内，增加的信号背景比与目标DNA浓度呈线性关系，LOD为73 pM。值得注意的是，单碱基错配的靶DNA是可以用非常有效的方法鉴别的。作者使用MIL-101(Cr)将信号背景比提高了近8倍，表明MOF确实是一个有效的低背景信号噪声平台，远低于基于碳纳米管和氧化石墨烯平台的检测限。

2.3 日本脑炎

日本脑炎病毒(JEV)是一种单链核糖核酸病毒，可导致潜在的致命感染，死亡率为25-30%。最近刚刚报道了使用表面改性的多磺酸粘多糖对其进行检测。这一过程极具创新性，不仅因为使用了表面修饰工具，更重要的是，它可以检测整个病毒颗粒，而不仅仅是病毒的遗传物质。所用的MOF是MIL-101(Cr)，它首先涂上一层二氧化硅，然后用一种叫做分子印迹的技术用丙烯酸锌处理。（图）在此过程中，丙烯酸酯聚合物在多孔质膜表面的沉积是在作为聚合模板的JEV全病毒颗粒存在下进行的。去除模板颗粒后，加入聚乙二醇作为封闭剂，封闭表面孔隙。这一步旨在增强传感器的能力，特别是识别JEV的能力。在JEV存在下，分子聚合物的荧光强度增加。这种增加在统计学上是显著的，表明可以以高灵敏度检测目标。JEV浓度范围为50至1400 pM时，荧光增强响应呈线性，最低检出限仅为13 pM。JEV平台的特异性受到其他病毒的挑战，即甲型肝炎病毒(HAV)、麻风病病毒和狂犬病病毒，它们的荧光强度较低。（如下图，基于MIL-101的病毒分子印迹聚合物的制备原理及日本脑炎病毒(JEV)的检测）

2.4 甲型肝炎

MIL-101 MOF被进一步证明是探测HAV全粒子的良好平台。在这份2020年1月的最新报告中，MIL-101涂有一层对pH值敏感的聚合物——甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，该聚合物同样是通过分子印迹技术制备的。这种聚合物有HAV形状的空腔，专门用于目标HAV粒子。检测采用了简单的共振光散射技术。当HVA粒子被吸附到纳米粒子的分子印迹表面时，它们导致粒子尺寸增加，随后激光共振光散射强度增加。随着目标HVA浓度的增加，更多的病毒颗粒被吸附，导致与共振光散射强度的相关性。在470 nm的工作波长下，观察到浓度在0.02至2.0 nM之间的线性剂量-反应相关性。平台的LOD极低，为0.1 pM，响应时间为20分钟。[Microchim. Acta.2020, 187,140]（如下图，用于检测甲型肝炎病毒的分子印迹纳米探针的制备示意图(HVA)）

3. 总结

MOFs独特的性能组合，在开发生物传感器时带来了强大的优势，即大尺寸的孔、扩大的表面积和易于调节。值得注意的是，大多数报道的病毒检测研究都使用带电荷的配体来提供带有正电荷表面的材料，这些材料与带负电荷的DNA探针相互作用。共轭探针@MOF平台表现出优异的性能，对目标分析物具有高特异性，检测限非常低，通常在纳摩尔范围内。根据所研究的平台，响应时间显示从2-3分钟到超过一刻钟不等，因此是保证优化以允许更快响应的参数之一。各种MOFs化合物的微晶尺寸与检测能力有一定的相关性。当与标记的探针相互作用时，MOFs颗粒似乎可以提供优势。然而，在文献中关于MOFs颗粒大小对检测病毒核酸链的功效的作用的信息仍然不足。同样，在大多数情况下，关于这些相互作用中材料孔隙率的作用的信息很少或没有。孔隙度甚至可能是一个阻碍因素，因为一些例子表明，当孔隙不足以使DNA链迁移时，荧光恢复和恢复时间往往更长。维度和检测能力之间的关系最为相关，实例表明分层结构，尤其是非常薄的分层结构，是与探针相互作用和将检测极限推向较低值的最佳选择。

MOFs开始被用作治疗病毒感染的活性成分的输送系统。再一次，这些材料在治疗方面的优势与它们的多孔结构有关，能够携带大量的活性成分，并且能够微调颗粒大小和形状以适应与不同递送途径的生物力学和物理化学参数相关的需要。

在这一研究领域仍有许多工作要做，在基于MOFs传感器或任何其他为原位应用开发的传感器能够有效地投入实际应用之前，从血液样本中提取RNA仍然是需要克服的最明显的关键步骤。随着最近的2020年新冠肺炎大流行，世界肯定不会和原来一样了。希望这场健康危机将刺激研究人员和利益相关者加快研究的步伐。新的解决方案和技术将为更光明的未来而出现。

推荐文献：

[1] J.Y. Yang et al., A novel fluorescence molecularly imprinted sensor for Japanese encephalitis virus detection based on metal organic frameworks and passivation-enhanced selectivity. Talanta 212 (2020) 120744.

[2] L.H. Luo et al., Molecular imprinting resonance light scattering nanoprobes based on pH-responsive metal-organic framework for determination of hepatitis A virus. Microchim. Acta 187 (2020) 140

[3] H. Huang et al., COVID-19: A Call for Physical Scientists and Engineers. ACS Nano 14 (2020) 3747–3754.

[4] J. Yang, Y.-W. Yang, Metal–Organic Frameworks for Biomedical Applications. Small 16 (2020) 1906846.

[5] L. Jiao et al., Metal–organic frameworks: Structures and functional applications. Mater. Today 27 (2019) 43–68.

[6] ] Q. Qiu et al., Recent advances in the rational synthesis and sensing applications of metal-organic framework biocomposites. Coord. Chem. Rev. 387 (2019) 60–78.

[7] D.I. Osman et al., Nucleic acids biosensors based on metal-organic framework (MOF): Paving the way to clinical laboratory diagnosis. Biosens. Bioelectron. 141 (2019) 111451.

本文由纳米小白供稿。

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