刘钢团队开发基因治疗和疫苗载体快速定量检测黑科技

【导语】基因治疗或疫苗开发过程中，对AAV衣壳浓度进行完整、精确的测定，是前期研发，中期筛选中获得可靠数据，后期治疗中能够安全有效给药的必要条件。

基因疗法能从根本上补充或修复缺陷基因，恢复健康基因的正常生物学功能，具有不可比拟的治疗优势。腺病毒或腺相关病毒 （AAV） 已经成为预防感染、严重疾病和死亡的理想基因治疗和疫苗载体。 

载体进入体内诱导免疫反应并建立免疫记忆需要一种具有传染性的活性病毒疫苗。传统的定量检测方法中，无论是灵敏度较高的qPCR检测，还是传统免疫学原理Elisa检测等，仅可以定量病毒载体的总浓度。

因受到病毒载体碎片干扰，而无法精确测定病毒疫苗载体的效价浓度，进而影响基因药物或疫苗的生产质量控制以及精准给药。因此，迫切需要一种可准确测定病毒载体的浓度和存活力的新技术。 

近日，华中科技大学 刘钢 教授团队在 Materials Today Bio 期刊发表了题为： Versatile nanorobot hand biosensor for specific capture and ultrasensitive quantification of viral nanoparticles  的研究论文。 

针对上述问题，华中科技大学刘钢教授和黄丽萍博士团队与华中农业大学金梅林教授、张强副教授团队合作，研发了一种具有纳米级多功能机器人手结构的纳米等离子体 （Nano RHB） 生物传感器，用于快速、无损和特异性地捕获和定量检测腺病毒颗粒。该传感器可应用于实时监测基因治疗和病毒疫苗载体数量和质量，评估病毒载体的感染活力。

在该研究中，研究人员首先开发了一种基于非常光透射 （EOT） 效应的无标记NanoSPR生物传感器。该生物传感器可以被非偏振光激发，并且不需要复杂的光学设备。然后通过在纳米杯阵列芯片上直接实施金种子生长法，设计了一种具有纳米机器人手的新型多功能NanoSPR生物传感器。

由于其特殊的纳米杯结构作为种子模板，通过聚多巴胺分子在芯片表面生成了不同形状的分枝状金纳米结构。这些分支金纳米结构的功能类似于智能机器人手，从而增强SPR共振效应以提高芯片的灵敏度，同时增加表面积以提高芯片修饰效率。将这些超灵敏生物传感器集成到标准96孔板或32孔板中，可以直接监测动态结合曲线，并使用微量样品定量检测腺病毒载体或疫苗。

研究结果表明，基于该新型传感器，将重组人CAR、FX蛋白或抗腺病毒六邻体蛋白抗体固定在NanoRHB的表面，这些配体可以分别结合腺病毒的纤维蛋白 （病毒衣壳上突出的刺突） 和六邻体蛋白 （主要的衣壳蛋白） ，通过腺病毒特异性结合的CAR/FX蛋白相互作用可快速检测腺病毒的生存活力和浓度，在5分钟内同时高通量检测多达96个样品，比传统病毒滴度检测方法和PCR方法更高效快捷。

此外，研究人员还使用冻干技术将CAR标记的金颗粒整合到单克隆抗体修饰的Nano RHB平台上，检测灵敏度可以进一步提高5倍。研究结果显示，金颗粒偶联的Nano RHB的独特SPR效应可实现一步式夹心法进行高灵敏度和快速的腺病毒载体颗粒评估，而不需要洗涤步骤和复杂的样品预处理。该种超灵敏金纳米分支结构修饰的生物芯片，不仅可以快速有效地评估腺病毒载体的活力，还可以通过一步夹心法提高检测灵敏度至100 copies/mL。

研究人员进一步将采用NanoRHB平台检测26个细胞上清液样品，结果显示与传统qPCR和病毒滴度检测分析的结果非常一致。Nano RHB传感器分析显著缩短了总检测时间，从几天和几小时缩短到几分钟，并通过直接结合病毒表面蛋白来同时快速检测病毒生存力和浓度，从而提高了检测能力。该新型检测平台也展示出对不同类型的病毒载体和假病毒的高特异性。 

研究结果显示Nano RHB平台是一种有前途的高通量生物检测工具，用于高效和超灵敏地评估疫苗和基因递送载体，用于大规模腺病毒载体疫苗的快速质量控制，亦可用于其他基于病毒载体和基因载体的检测分析。 

研究团队已实现上述技术的转化 ，基于NanoSPR技术开发的一种腺相关病毒 （AAV-2） 定量检测试剂盒，能准确、快速、简便、高通量的检测细胞上清中AAV-2病毒含量。 AAV-2病毒定量检测试剂盒的原理是AAV-2病毒上的衣壳蛋白和生物芯片表面AAV-2单抗结合后与芯片纳米孔产生等离子共振效应，引起特定波长处吸光度的改变。该波长处的吸光度的高低与样本中的AAV-2病毒含量成正比。故可利用已知浓度的病毒样品在NanoSPR芯片的特定波长处的吸光度变化，建立吸光度变化值与浓度值的标准曲线，从而计算出待测样本中的AAV-2病毒含量。

AAV作为基因治疗的明星载体，是目前基因治疗中最常用的载体，准确的滴度检测是AAV基因治疗药物质控的重要组成部分，也是开展临床研究的前提条件。 AAV-2病毒定量检测试剂盒可搭配量准多功能分子检测仪 （WeSPR 100或WeSPR HT96） 使用，一步加样，15min即可出结果，能准确、快速、简便、高通量的检测细胞上清中AAV-2病毒含量。大大简化了AAV开发者的工作流程。

在基因治疗、抗病毒疫苗开发等领域有着非常广泛的应用前景。基因治疗或疫苗开发过程中，对AAV衣壳浓度进行完整、精确的测定，是前期研发，中期筛选中获得可靠数据，后期治疗中能够安全有效给药的必要条件。同时，测定AAV分离纯化过程中不同阶段的病毒浓度、优化克隆、提高产量也十分重要。 

华中科技大学博士生李睿、华中农业大学博士生赵亚、华中科技大学博士生樊洪利为论文的共同第一作者，华中科技大学的黄丽萍博士、刘钢教授及华中农业大学的金梅林教授、张强副教授为该文的共同通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。