2022年5月12日，武汉大学病毒学国家重点实验室，联合华中科技大学、湖北省疾病预防控制中心，在国际学术期刊《Viruses》上发表研究成果。
2022年5月12日，武汉大学病毒学国家重点实验室徐可团队，与华中科技大学刘欢团队、湖北省疾病预防控制中心蔡昆团队合作，在国际学术期刊《Viruses》上发表研究成果。
首次开发了具有自主知识产权的“量子点-多肽” 纳米级荧光生物传感系统，可实时、定量、高通量检测血清中的新冠病毒抗体。目前，该技术已获得国家发明专利授权，预计1-2年内有望面市。
该系统由 CdSe-ZnS 量子点 (QD) 与 COVID-19的高特异B细胞表位组成，能将生物信号直接转化成光信号，从而实现快速（5分钟）、智能（一步反应）、高灵敏（检测限100pM）、高准确度（98.1%）、微量样本（0.05μL血清）的高通量抗体检测。
01 “荧光量子点-多肽”生物传感器（Fluorescent QD-Peptides Biosensor）
量子点是一种量子效率高、光化学稳定性好、荧光特性可控的无机半导体纳米材料，能与生物分子直接偶联，使其成为适配各种底物的载体，可以将生物学信号直接转变为量子点材料的光学信号。
在体外诊断检测方面，尤其是诊断病毒感染方面具有很好的应用潜力，可以快速灵敏地检测抗体或病毒抗原。
本文将量子点与SARS-CoV-2多肽表位偶联后，可以实现将抗体检测的生物信号转化为光信号，显着提高抗体检测的灵敏度和特异性。
量子点与多肽偶联的示意图如图所示（图1a），青色部分为多肽。“荧光量子点-多肽”生物传感技术检测原理：通过定量检测荧光猝灭信号从而特异性检测相应抗体。紫色代表激发光，橙色代表发射光（图1b）。
图1：“荧光量子点-多肽”生物传感技术检测原理图
02 “量子点-多肽”生物传感技术用于新冠检测
“荧光量子点-多肽”生物传感技术检测COVID-19 患者血清如图所示（图2）。QD-Sepi（量子点-新冠病毒表位）在 608 nm 处与（红线）或不与（黑线）抗 SRBD 抗体反应的荧光强度具有差异（图2b），荧光猝灭率定义为（Y1-Y2）/Y1*100%，荧光猝灭率在5 分钟（虚线标记处）内变得稳定，表明可在5分钟内实现快速检测。
图2：“荧光量子点-多肽”生物传感技术检测患者血清示意图
03 量子点偶联的新冠抗原表位
新冠SARS-CoV-2的S和N蛋白的抗原表位如图所示（图3）。SARS-CoV-2 的基因组结构示意图见图3a，不同的灰色框代表不同的ORF（基因表达阅读框）。新冠表位（Sepi）用红色标记。
使用 PyMOL软件（基于晶体结构PDB 6VYB）可视化绘制SARS-CoV-2 三聚体 S 蛋白的结构见图3b，其中新冠表位Sepi1 和 Sepi2 标记为红色，受体结合基序和融合肽标记为青色。
图3，量子点偶联的新冠抗原表位
04 “量子点-多肽”技术 VS 传统ELISA技术
目前的 COVID-19 血清学检测主要基于商业 ELISA 试剂盒，使用 新冠S 或 N 蛋白来检测SARS-CoV-2 的IgG 或 IgM 抗体，在 1:20–1:100 血清稀释度下的灵敏度为82.2%以上。但ELISA检测花费时间长、需要专业技术人员操作。此外，由于ELISA使用完整的病毒蛋白作为诱饵，会对同一病毒家族的病毒产生交叉反应，从而导致假阳性。相比之下，本研究选择的是高特异性的SARS-CoV-2 表位多肽，具有低同源性，能确保准确度，避免假阳性。
本研究开发的具有自主知识产权的“荧光量子点-多肽”生物传感器表现出卓越的临床检测灵敏度（图4）。
采用“荧光量子点-多肽”生物传感器，对207 个 COVID-19 康复者血清样本和 32 个未感染人血清样本进行了检测（图4a,b,d,e）。其中，采用传统的ELISA技术检测的是图4c,f。所有血清样品均按 1:2000 稀释。将207个 COVID-19 康复者根据症状分为以下几类：无症状患者（灰色，n = 6）、轻度症状（绿色，n = 87）、常规症状（蓝色，n = 67）、严重或危急症状（橙色，n = 47）。纵坐标百分比为阳性检出率，点代表两个或三个独立测量值的平均值。线和误差线分别表示每组的平均值和 SD。
结果表明，“荧光量子点-多肽”生物传感技术比传统的ELISA 检测具有更高的灵敏度。QD-Sepi1 的总体灵敏度（阳性率）为 98.1%（图 4a，红），QD-Sepi2 为 94.2%（图 4b，红），而传统的ELISA 灵敏度则低得多，为 78.3%。
图4，检测灵敏度比较
05 “荧光量子点-多肽”技术 VS 纳米金技术
最近一项研究中， SARS-CoV-2 表位与纳米金颗粒偶联，用于检测血浆中的新冠抗体，但金纳米颗粒必须聚集在一起，通过抗体级联放大获得信号。相比之下，本研究的“量子点-多肽”荧光生物传感系统可以在单个纳米颗粒尺度上单独获得敏感信号，不需要聚合或信号级联放大过程。
此外，纳米金颗粒需要通过链霉亲和素与生物素化肽偶联，这与SA-ELISA的原理相似，因此灵敏度低。量子点的表面具有高弹性，可以通过羧基直接与肽的氨基连接，无需任何接头，从而确保高灵敏度。
06 总结及展望
“荧光量子点-多肽”生物传感技术能将生物信号直接转化成光信号，从而实现快速（5分钟）、智能（一步反应）、高灵敏（检测下限100pM）、高准确度（98.1%）、微量样本（0.05μL血清）的高通量检测。这种技术经过改造也可以使用在其他病毒的检测中，将大大降低患者和医疗机构的检测成本。
目前，荧光信号可以通过连接计算机的高通量多功能酶标仪进行测量分析。在未来，还可为智能手机开发相应的app，以接收多功能酶标仪的结果，使血清学检测结果实现可穿戴、个性化和智能化。
随着全球越来越多的人接种新冠疫苗，抗体水平成为评估疫苗效果的重要指标，检测人群中的抗体阳性率也有助于评估群体免疫水平，为疫苗分配和疫情防控策略提供参考。对于个人来说，新冠抗体检测也可以直观地告诉你，是否需要打疫苗加强针了。该“荧光量子点-多肽”生物传感器能适用上述大规模的需求。
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参考文献：B-Cell-Epitope-Based Fluorescent Quantum Dot Biosensors for SARS-CoV-2 Enable Highly Sensitive COVID-19 Antibody Detection. Viruses, 2022.
文章链接：
https://www.mdpi.com/1999-4915/14/5/1031/htm