使用硅光子生物传感器对畜牧和野生动物中的动物冠状病毒进行快速筛查

为什么监测动物病毒很重要

在一个人类、家畜和野生动物日益密集接触的世界里，起源于动物的病毒更容易跨越物种进入人类。冠状病毒就是一个典型例子：包括 COVID-19 在内的若干重大暴发可追溯到动物宿主。本文介绍了一种新的基于芯片的传感器，能够在蝙蝠和鸡群中快速检测多种动物冠状病毒，无需通常那些耗时的实验室流程。通过使病毒检测更快更简单，这项技术有望加强我们对未来大流行的预警体系。

人与动物之间日益增长的“拥堵”

现代生活大大增强了人类、家畜与野生动物之间的接触。农场扩大、全球贸易和自然栖息地的开垦把过去很少相遇的物种聚在一起。冠状病毒在这种拥挤的环境中易于繁衍，因为它们容易发生变异并交换遗传物质，从而适应新的宿主。蝙蝠、某些家畜和其他野生动物可以默默携带多种冠状病毒株。在这些病毒溢出到人类之前检测到它们至关重要，但现行的金标准检测如 PCR 速度慢、需要复杂设备，并且必须在专门实验室中进行。这使得在野外对大量动物进行常规筛查既困难又昂贵。

一种基于光的芯片式病毒探测器

研究团队开发了一种微小的硅芯片，利用光直接检测冠状病毒的遗传物质，无需扩增或化学标记。芯片上有非常小的通路，称为波导，它们同时以两种不同的模式引导光束。波导表面涂有用于捕捉来自动物样本的匹配冠状病毒 RNA 的短 DNA 寡核苷酸。当病毒 RNA 与这些寡核苷酸结合时，会微妙地改变光在波导中的传播方式。器件的干涉设计把这种变化实时转化为可测信号，从而使芯片在数分钟内检测到极低量的病毒相关物质。

将芯片设计为可捕获多种冠状病毒类型

为了覆盖哺乳动物和鸟类，科学家构建了两种版本的传感器。一种针对冠状病毒复制机械基因中的高度保守片段，该片段存在于感染蝙蝠和许多其他哺乳动物的 α 和 β 冠状病毒中。另一种则针对常见于家禽的 γ 冠状病毒基因组前端附近的稳定区。他们仔细调整了芯片表面探针的数量，并将其与柔性间隔分子混合，以保持探针的可接近性便于结合。他们还优化了盐浓度并加入少量甲酰胺（一种有助于拉直 RNA 链的溶剂），以便 RNA 更容易与探针配对。一个再生步骤使芯片在测试间释放已结合的 RNA，从而使同一设备可重复使用多次。

新型传感器的表现如何

在对合成病毒片段和实验室制备的较长 RNA 进行的受控测试中，芯片能够检测到非常低的浓度，在某些情况下可低至每微升只有几份病毒 RNA 副本。其测量结果与标准 PCR 的结果高度一致，但读出时间约为 20–25 分钟，而不是几个小时。随后，团队用真实世界样本对传感器进行了挑战：来自蝙蝠的粪便和来自感染常见家禽冠状病毒的鸡的拭子。在蝙蝠样本中，传感器能正确识别大多数阳性和阴性样本，尽管在极低病毒载量的感染情况下表现有限。在鸡样本中，结果更为稳健，在广泛的病毒载量范围内显示出高敏感性和高特异性，表明该芯片能在无需扩增的情况下可靠地识别被感染的家禽。

这对未来暴发可能意味着什么

尽管当前的设置仍需基本的实验室操作来提取 RNA，但该芯片本体体积小、采用标准微电子工艺制造，并设计为可低成本量产。作者认为，随着光学和流体学部件进一步微型化和自动化，类似设备可以更靠近农场、市场和野生动物监测点部署。在那里，它们可作为对动物冠状病毒的快速常规筛查，作为 PCR 的互补而非替代。对于非专业读者，关键结论是这种基于光的芯片提供了一种快速、可重复使用且可扩展的工具，用于在病毒出现的源头监视动物病毒，从而提高我们在它们成为下一个人类大流行之前将危险株发现的机会。

引用: Serrano, B., Soler, M., Courtillon, C. et al. Rapid screening of animal coronaviruses in livestock and wildlife using a silicon photonics biosensor. npj Biosensing 3, 26 (2026). https://doi.org/10.1038/s44328-026-00091-0

关键词: 冠状病毒监测, 硅光子生物传感器, 动物储主, 快速诊断, 一个健康（One Health）