用于快速、低成本废水现场监测的生物传感器
2023-05-21 09:27:02   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

废水监测或基于废水的流行病学能够实现病原体的快速检测和社区流行率的量化。目前，全球已有70多个国家正在开展区域性和国家范围的废水监测规划。废水监测不仅可以为政府和卫生机构提供病原体流行数据，还可以提供疾病的早期预警。然而，大多数废水的检测需要将样本送到实验室，并利用聚合酶链式反应（PCR）或基因组测序等方法进行分析，以识别新的病原体变异株。这些分析方法导致获得报告结果的周期很长。除了与分析时间长度相关的挑战（废水中的病原体在长时间的储存和运输过程中可能发生核酸降解），废水中PCR抑制剂的存在也可能导致病原体检测结果出现偏差。

此外，诊断中心和训练有素专业人员的缺乏阻碍了废水监测在更广泛范围内的实施，特别是在资源匮乏的环境和医疗服务水平低下的社区，例如低收入和中等收入国家（LMICs）。不幸的是，全球南方地区通常是包括结核病、疟疾、获得性免疫缺陷综合症（AIDS）、登革热、埃博拉、肝炎、流感、寨卡病毒、诺如病毒、新冠病毒（SARS-CoV-2）和猴痘病毒等在内的传染病高发地区。因此，在资源有限的地区开发快速和低成本的现场废水监测方法至关重要。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）的研究人员在Nature Water期刊上发表了题为“Low-cost and rapid sensors for wastewater surveillance at low-resource settings”的评论文章，评价讨论了用于快速、低成本废水现场监测的传感器的发展现状，并对其未来发展进行了展望。

低成本和快速检测传感器

目前，低成本和快速检测的传感器技术（例如比色传感器、侧流装置（LFD）以及纸基微流控装置）已经被开发并用于废水中的病原体诊断。然而，由于致病生物标志物的低浓度特性以及基质的复杂性和可变性（例如PCR抑制剂会阻止信号放大），废水分析对于已开发的传感器来说仍然具有很大的挑战性。理想的传感技术需要满足以下条件：（1）灵敏度和特异性高；（2）能够提供全面、客观的数据；（3）检测结果可以实时呈现；（4）能够同时监测多种疾病和污染物；（5）具有可扩展性和成本效益；（6）易于使用，不需要耗费专业资源。

包括贵金属纳米粒子以及碳基纳米材料在内的纳米材料和纳米技术对提高生物传感器的分析性能（例如灵敏度和特异性）做出了重大贡献。与此同时，除了抗体，新的高度特异性的生物受体，如DNA酶、噬菌体和肽也可以推广用于生物传感器。此外，通过对新兴的生物技术（例如，CRISPR/Cas传感器技术）、工程方法（例如，低成本的纸基微流控技术）和电子学的进一步探索，可以开发用于废水分析的综合生物传感平台。除了提高分析性能外，开发的传感器装置必须足够稳定，以承受长期存储和环境条件的波动。

侧流装置是传感器应用于新冠肺炎（COVID-19）诊断中的典型案例。在新冠肺炎大流行期间，更多的新型装置被开发以辅助新冠病毒的大规模筛查。这些装置成本低、易于操作、快速且灵敏度高，有用于现场检测的潜力。例如，Wu等人开发了一种基于依赖核酸序列的等温扩增（NASBA）测序技术的高通量检测方法，该检测方法使用荧光检测或侧流装置进行读出，可以在1至2小时内提供检测结果，从而有可能实现在群体范围内的大规模应用（图1）。此外，Peter Q. Nguyen等人开发了一种集成在口罩上的传感器，可作为基于鼻咽采样诊断新冠肺炎方法的补充（图2）。该传感器包括一个水化储层、一个位于传感器表面区域的采样垫、一个蜡纹微流控纸基分析装置和一个侧流分析试纸条。

图1 两阶段一体化新冠肺炎检测平台

图2 一种集成于口罩的新冠病毒可穿戴诊断技术

用于废水现场检测的传感器

最近，快速、低成本传感器在检测废水中的病原体方面显示出了明显的潜力（图3）。例如，一种纸基微流控装置已被开发出来，用于多重病原体检测，并在印度农场和乌干达成功进行了疟疾测试。此外，该装置已被进一步证明可以作为活动性丙型肝炎病毒（HCV）感染的即时诊断工具。该装置包括环介导等温扩增（LAMP）室和侧流核酸检测条，可以在不到40分钟的时间内给出可视化读取和用户友好的结果。随后，有研究提出了将侧流装置与环介导等温扩增技术集成用于检测废水中的遗传生物标志物，以实现废水中新冠病毒的检测。此外，研究人员开发了一种低成本、快速、用户友好的多路复用纸基微流控平台，用于检测废水中的新冠病毒和流感病毒，在英国伦敦一家用于隔离的酒店，该微流控平台可在90分钟内实现现场病毒检测，显示了其在中低收入国家和资源有限地区的潜在应用前景。

图3 用于快速和现场废水监测的低成本传感器

然而，为了进一步促进以上传感器在资源匮乏环境中的应用，还需要对它们进行进一步的改进：（1）实现在高度可变的环境条件下的运行；（2）简化传感器现场更换流程；（3）促进数据通信；（4）最大限度地减少传感器需要进行标定的可能性。此外，除了解决包括以上问题在内的技术问题外，还需要考虑数据的安全性和保密性。例如，有研究在乌干达农村地区建立了基于多路环介导等温扩增检测和侧流检测的端到端智能手机疟疾诊断平台，该平台结合了用于本地决策支持的深度学习算法和用于安全数据管理的区块链技术。新开发的传感器可以进一步扩展到抗菌药物耐药性的评估中。

前景展望

总体而言，废水监测可以提供社区级别疫情的早期预警，预测人群中的感染趋势，并根据长期慢性疾病的标志物反映人与环境之间交互关系的动态。此外，废水可用于多维度地跟踪传染病动态。例如，从社区层面到建筑层面维度；以及从下水道和污水处理厂（WWTPs）等污染源，到地表水和点源（例如天然水池点）维度。未来，人工智能、大数据分析和物联网（IoT）可以与传感器和传感器网络相结合，用于废水监测。即使在资源较匮乏的环境中，人工智能（AI）装置也可以使用各种算法进行多步骤分析，以预测疾病概况，这为应对未来的大流行提供了更有力的可能。

此外，开发现场快速监测废水的生物传感器需要学术研究人员、医疗专业人员、工业工程师和政府机构的共同努力。这些利益相关方必须共同探索和改进传感器性能、统计分析方法和模型以及快速传感器的硬件设计，以便在资源匮乏的情况下实现实时监测，以帮助保护全球公众健康。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00080-x

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》