New Biosensor bietet eine schnelle Erkennung von H5N1 in landwirtschaftlicher Luft

Da sich hochpathogene H5N1 -Influenza in den USA weiterhin ausbreitet und ernsthafte Bedrohungen für Milch- und Geflügelfarmen darstellt, benötigen sowohl Landwirte als auch Experten für öffentliche Gesundheit bessere Möglichkeiten, um Infektionen in Echtzeit zu überwachen, um Ausbrüche zu mildern und zu reagieren. Dank der Untersuchung der Washington University in St. Louis, die in einer Sonderausgabe von ACS -Sensoren auf „Atem Sensing“ veröffentlicht wurde, können Virus -Tracker die Aerosolpartikel von H5N1 überwachen.

Um ihren Vogelgrippesensor zu schaffen, arbeiteten Forscher im Labor von Rajan Chakrabarty, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering in Washu, mit elektrochemischen kapazitiven Biosensoren, um die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit des Virus- und Bakterienerkennung zu verbessern.

Ihre Arbeit ist entscheidend zeitlich festgelegt, da das Vogelvirus im vergangenen Jahr eine gefährliche Wendung für die Übertragung von Partikeln in Luft an Säugetiere, einschließlich Menschen, übertragen hat. Das Virus hat sich bei Katzen als tödlich erwiesen, und es gab mindestens einen Fall eines menschlichen Todes durch H5N1.

„Dieser Biosensor ist das erste seiner Art“, sagte Chakrabarty und spricht von der Technologie, mit der das Luft -Virus und Bakterienpartikel nachgewiesen wurde. Wissenschaftler mussten zuvor langsamere Erkennungsmethoden mit DNA -Werkzeugen der Polymerasekettenreaktion anwenden.

Chakrabarty stellte fest, dass herkömmliche Testmethoden mehr als 10 Stunden dauern können – „zu lange, um einen Ausbruch zu stoppen“.

Der neue Biosensor arbeitet innerhalb von fünf Minuten und bewahrt die Probe der Mikroben zur weiteren Analyse und bietet einen Bereich der auf einem Farm nachgewiesenen Erregerkonzentrationsniveaus. Dies ermöglicht sofortiges Handeln, sagte Chakrabarty.

Die Zeit ist von entscheidender Bedeutung, wenn ein viraler Ausbruch verhindert wird. Als das Labor an dieser Forschung arbeitete, war H5N1 nur durch Kontakt mit infizierten Vögeln übertragbar.

„Als sich dieses Papier weiterentwickelte, mutierte es auch das Virus“, fügte Chakrabarty hinzu.

Die Vereinigten Staaten verfolgen Tiergesundheit und die Erregerausbrüche auf Bauernhöfen über das US -amerikanische Ministerium für Landwirtschaft und Pflanzengesundheitsinspektionsinspektion (APHIS), die zuletzt berichteten, dass in den letzten 30 Tagen mindestens 35 neue Milchvieh -Rinderfälle von H5N1 in vier Bundesstaaten, hauptsächlich in Kalifornien, vorhanden waren.

„Die Stämme sind diesmal sehr unterschiedlich“, sagte Chakrabarty.

Wenn die Landwirte Krankheiten vermuten, können sie das Tier zum Testen in Labore der Landwirtschaft schicken. Es ist jedoch ein langsamer Prozess, der aufgrund des Rückstandes von Fällen weiter verzögert werden kann, wenn H5N1 Geflügel und Milchviehbetriebe überholt. Zu den Minderungsoptionen gehören Biosicherheitsmaßnahmen wie Quarantierungstiere, Desinfektionsanlagen und -ausrüstung sowie Schutzkontrollen zur Begrenzung der Tierbelastung, einschließlich der Massenkeulung. Das USDA hat kürzlich auch eine bedingte Lizenz für einen Vogelgrippe -Impfstoff erteilt, der Geflügelbauern weiter entlasten könnte, um die Eierpreise zu senken.

Chakrabarty ist bereit, diesen Biosensor in die Welt einzuführen, und sagte, er sei als tragbar und erschwinglich für die Massenproduktion gebaut.

Wie es funktioniert

Die integrierte Erkrankung der Probenahme-Sensing-Einheit ist etwa so groß wie ein Desktop-Drucker und kann dort platziert werden, wo die Farmen Abgase aus Hühnchen- oder Rindergehäuse entlüften. Die Einheit ist ein interdisziplinäres Engineering-Wunder, das aus einem „Bioaerosol-Probenehmer“ Wet Cyclon besteht, das ursprünglich zur Probenahme von SARS-CoV-2-Aerosolen entwickelt wurde.

Die von Pathogen beladene Luft tritt in sehr hohen Geschwindigkeiten in den Probenehmer ein und wird mit der Flüssigkeit gemischt, die die Wände des Probensters auslegt, um einen Oberflächenwirbel zu erzeugen, wodurch die Virus-Aerosole eingefangen werden. Das Gerät verfügt über ein automatisiertes Pumpensystem, das die abgetastete Flüssigkeit alle fünf Minuten zum Biosensor zur nahtlosen Viruserkennung sendet.

Der leitende Stabswissenschaftler von Chakrabarty, Meng Wu, übernahm zusammen mit dem Doktorand Joshin Kumar die mühsame Aufgabe, die Oberfläche des elektrochemischen Biosensors zu optimieren, um seine Empfindlichkeit und Stabilität für den Nachweis des Virus in Spurenmengen (weniger als 100 Viral -RNA -Kopien pro Kubikmeter Luft) zu erhöhen.

Der Biosensor verwendet „Capture -Sonden“, die als Aptamere bezeichnet werden, bei denen es sich um einzelne DNA -Stränge handelt, die an Virusproteine ​​binden und sie kennzeichnen. Die große Herausforderung des Teams bestand darin, einen Weg zu finden, um diese Aptamere dazu zu bringen, mit der 2-Millimeter-Oberfläche einer bloßen Kohlenstoffelektrode bei der Erkennung der Krankheitserreger zu arbeiten.

Nach monatelangen Versuch und Irrtum fand das Team das richtige Rezept für die Modifizierung der Kohlenstoffoberfläche mithilfe einer Kombination aus Graphenoxid und preußischen blauen Nanokristallen heraus, um die Empfindlichkeit und Stabilität des Biosensors zu erhöhen. Der letzte Schritt bestand darin, die modifizierte Elektrodenoberfläche über den Vernetzer -Glutaraldehyd mit dem Aptamer zu binden, der laut Xu und Kumar die „geheime Sauce“ zur Funktionalisierung der Oberfläche einer nackten Kohlenstoffelektrode zum Nachweis von H5N1 ist.

Sie fügten hinzu, dass ein großer Vorteil der Erkennungstechnik des Teams darin besteht, dass sie nicht konstruktiv ist. Nach dem Testen eines Virus konnte die Probe zur weiteren Analyse durch konventionelle Techniken wie PCR gespeichert werden.

Die integrierte Erkrankung der Probenahme -Sensing -Einheit funktioniert automatisch – eine Person muss kein Know -how in der Biochemie haben, um sie zu verwenden. Es wird aus erschwinglichen und leicht zu massende Materialien hergestellt. Der Biosensor kann in Echtzeit Konzentrationsbereiche von H5N1 in der Luft- und Alarmbetreiber für Krankheitsspitzen liefern. Xu sagte, Kenntnisse über die Ebenen können als allgemeiner Indikator für „Bedrohung“ in einer Einrichtung verwendet werden und lassen Sie die Bediener wissen, ob die Krankheitserregerbilanz in ein gefährliches Niveau eingetreten ist.

Diese Fähigkeit, eine Reihe von Virenkonzentration anzubieten, ist ein weiterer „erster“ für die Sensornechnologie. Am wichtigsten ist, dass es potenziell skalieren kann, um viele andere gefährliche Krankheitserreger in einem Gerät zu finden.

Dieser Biosensor ist spezifisch für H5N1, kann jedoch angepasst werden, um andere Stämme des Influenzavirus (z. B. H1N1) und SARS-CoV-2 sowie Bakterien (E. coli und Pseudomonas) in der Aerosolphase nachzuweisen. Wir haben diese Fähigkeiten unseres Biosensors demonstriert und die Ergebnisse in der Zeitung gemeldet. „

Rajan Chakrabarty, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, Washu’s McKelvey School of Engineering

Das Team arbeitet an der Kommerzialisierung des Biosensors. Varro Life Sciences, ein Unternehmen in St. Louis Biotech, hat sich während der Entwurfsphase des Biosensors mit dem Forschungsteam beraten, um seine mögliche Kommerzialisierung in Zukunft zu erleichtern.

Kumar J, Xu M, Li YA, You SW, Doherty BM, Gardiner WD, Cirrito JR, Yuede CM, Benegal A, Vahey MD, Joshi A, Seehra K, Boon ACM, Huang YY, Puthussery JV, Chakrabarty R. Capacitive Biosensor for Rapid Detection of Avian (H5N1) Influenza and E. coli in Aerosole. ACS -Sensoren, online 21. Februar. DOI:

Die Finanzierung dieser Forschung wurde von Grise Lab bereitgestellt.

Quellen: