STI檢測-里昂國家應用科學研究院2016iGEN成果簡介

里昂國家應用科學研究院2016年iGEM參賽隊伍的基本信息：

iGEM比賽年度：2016年

類別（Kind）：大學生（Collegiate）

組別（Section）：本科生組（Undergraduate）

地區：歐洲

國家：法國

領域/板塊（track）：診斷（Diagnostics）

里昂國家應用科學研究院2016年iGEM參賽隊伍的獲獎情況：

單項獎（Award）：

最佳診斷項目（Best Diagnostics Project）

最佳診斷項目提名（Nominated for Best Diagnostics Project）

最佳應用設計提名（Nominated for Best Applied Design）

最佳綜合社會實踐提名（Nominated for Best Integrated Human Practices）

最佳教育和公眾參與提名（Nominated for Best Education & Public Engagement）

最佳建模提名（Nominated for Best Model）

最佳軟體工具提名（Nominated for Best Software Tool）

獎牌（Medal）：金獎（Golden Medal）

項目名稱：Gotta Detect Em All: a multi-STI sensor based on aptamers

項目概覽

性傳播感染疾病（Sexually Transmitted Infections,STI）的快速檢測是一個亟待解決的重要問題。很少iGEM隊伍有在這方面的工作。而且目前的商業解決方案並不令人滿意。

STIs仍是一個很大的公共健康問題。治療往往開始太晚導致健康問題，例如不育症。早期檢測可以幫助降低疾病的危害。此外人們的態度往往也會導致風險。因此我們決定開發一種可以一次針對多種STIs的，便宜、易於使用、可以自己檢測，能夠定位感染的檢測方法。

我們的主要革新依賴於適配子（aptamers）技術的使用。適配子是一類短單鏈核酸，表現類似於抗體。適配子有眾多優勢，比起抗體，適配子的選擇和產生過程更快、更容易、且更廉價。

適配子可以被化學合成，而抗體需要複雜的真核表達系統（chassis）來生產。適配子是一種對用戶友好的技術，可以輕易的被化學修飾。我們構建了三種生物磚（Biobricks）並提交以建立我們的檢測設備。

標靶發生器（target generator）：HIV-1逆轉錄酶蛋白亞基和HBsAg，B型肝炎生物標記，part BBa_K1934060和BBa_K1934061。

錨點（anchor）：錨點讓適配子固定在紙上。我們的生物檢測系統需要被錨定在紙上。一種已知的融合蛋白（part BBa_K1499004）可以做到這點。但是它沒有被調整過，所以我們需要改進它並進行充分的測試。

主要問題：STI檢測

項目很早就決定建立一個檢測裝置。性傳播感染很快就成為需要解決的重要問題。很少有iGEM團隊在這方面的努力工作，目前可用的商業解決方案也並不能滿足我們。所以我們認為在這個特定話題上有所進步是非常好的。

不幸的是，性傳播疾病仍然是當今的重大公共衛生問題。治療經常開始的太晚，導致健康問題，如不育症。如果預防可能是防止性傳播感染傳播的最有效的行動，早期檢測可以幫助限制其有害的影響。而且，在有風險的行為之後，問題是：「我感染了STI嗎？」因此，我們決定開發一種便宜，易於使用，自我檢測，可以同時處理多種STI的污染的方案。

我們有機會與Rainer Bischoff教授談論了這個問題，他是一位生物標記方面的荷蘭專家。以下是我們在採訪中談到的不同話題。

您如何定義一個「好」生物標誌物？您需要哪些特性/屬性才能將生物標誌物視為「良好」標記？您認為每個個體的生物標誌物的「優點」可能是不同的么？

-->定義一個好的生物標誌物首先要提出正確的問題。什麼是生物標誌物應該要診斷/預測的？需要哪些敏感度和特異性？請注意，對於全人口研究，您可能需要99％以上的特異性，以避免誤報。

舉個例子，如果你要篩選1000萬人感染疾病，並且有1％的假陽性（99％的特異性），這仍然意味著100,000個假陽性。在結腸癌篩查的情況下，醫療保健系統發現這是「非常困難」的一種方式，這對後續檢查造成了巨大的代價。所以，請仔細想想你想要用生物標誌物實現什麼以及後續的影響。

針對一種特定疾病有很多的不同的生物標誌物么？

-->這很大程度上取決於是哪種疾病。我認為傳染病診斷是相當「容易的」，因為感染因子表達通常不存在於宿主生物體內的蛋白質。這樣可以基於配體結合測定開發高度特異性的測定。對於影響更廣泛人群的多因素疾病，具有生活方式因素，與生物體相互作用的環境因素及其固有的遺傳構成，生理學等，這是非常不同的。

對於這些疾病（例如心血管疾病，COPD），找到單一的特異性生物標誌物是非常不可能的，它們趨向於使用「生物標誌物組」（biomarker panels）。可以說，在這方面很少有實現，因為研究的重現性差，研究設計不足，方法沒有得到適當的驗證。所以這些方面是至關重要的。

為了發現新的生物標誌物，您使用了什麼樣的技術？那麼你如何評估他們的「優點」呢？

-->我們主要使用LC-MS/MS與其背後的大量的生物信息學和統計學來嘗試發現不同樣品組之間的顯著差異。作為正確的方法驗證，在單獨的樣本集中，優選來自不同中心的驗證是非常重要的。

再次，生物標誌物的「優勢」在很大程度上取決於實際情況。你怎麼處理假陽性，避免假陰性有多重要？大多數生物標誌物不是獨立的診斷/預後，而是在決策程序的背景下使用，例如基於IHC，CT掃描...

總體而言，對於特定的疾病的最佳生物標誌物是集中在特定體液（血液，尿液等）中？還是可以在各種體液中都可以找到它們？

我認為基於血液的體液在實踐中被廣泛使用，因為它們容易獲得。還可以在尿液或其他體液（例如CSF）中發現生物標誌物，但是尿液水平會由其如何被收集和人的代謝狀態而變化很大。尿液對腎臟相關疾病肯定是有意義的。由於癌細胞具有更快的周轉率並傾向於脫落這樣的囊泡（例如由於壞死），有一種趨勢是使用這些所謂的細胞外囊泡作為癌症衍生的生物標記物。但是，這目前還處於研究階段。

技術選擇

生物標誌物檢測是由iGEM團隊和工業界大量探索的領域。大多數使用的技術依賴於抗體。開發基於抗體的測試有一些缺點：冗長而昂貴的識別和生產過程，保質期短...因此需要開發更多的可以節省測試的創新方案。

我們的主要創新依賴於使用適配體技術。適配體是短單鏈核酸。它們基本上表現和抗體一樣。他們有很多優點。與抗體相比，適配體的選擇和生產過程更快，更容易，更便宜。適配子可以通過純化學合成，而抗體需要複雜的真核底盤生物來生產。

適配器是一種用戶友好的技術！它們也具有易於化學改性的優點。我們構建了三種BioBricks，並將其提交到註冊庫來構建我們的檢測設備：

目標/靶向發生器（HIV-1逆轉錄酶和HBsAg的蛋白質亞基，乙型肝炎的生物標誌物，（部件BBa_K1934060和BBa_K1934061）

允許將適配體固定在紙張上的錨點：我們的生物檢測系統需要錨定在紙上。

現有的融合蛋白（部件BBa_K1499004）可以做到這一點，但沒有表徵，所以我們改進了它，並進行了完全測試。

我們如何做到？

在這個項目中開發了兩種方法。一是基於熒光的檢測系統。它工作得很好，但我們意識到它不能在家裡使用。第二種方法是基於乳膠珠的檢測系統。

第一適配體與乳膠珠共價連接。將樣品添加到珠粒上後，它們在紙條上遷移。在該紙條上還存在識別生物標誌物不同表位的互補適配體。如果目標物存在於樣品中，則它將被夾在珠粒上的適配體和固定的適配體之間。由於珠的著色，可見黑帶將逐漸出現。

如果目標不存在，珠子將不能形成這個夾層結構，也不會停止。

還需要一個空白對照。因此，在檢測帶之後，還存在由珠上的DNA的互補鏈構成的對照帶。只要通過鹼基配對，珠就會停止。它們被過量地用於檢測，因此即使樣品中存在被分析的目標，一些珠子仍將遷移到對照帶。

如何將適配體固定在紙條上？

我們受到2014年Stanford-Brown-Spelman團隊的另一個iGEM項目的啟發。他們開發了與纖維素結合域，融合蛋白相連的鏈霉親和素（Streptavidin）。我們採取了這個想法，並進一步推動它，表徵他們的一部分，並建立新的和更有效率的部件。基本上，適配體被生物素化，它們結合鏈霉親和素部分，由於纖維素結合結構域，其被固定在纖維素上。

該項目的另一個重要方面是設計一個真實的設備。如果想要出售一個檢測平台，它不僅僅是生物部件，而且也是一個真正的有包裝的設備。所以我們設計和3D列印一個設備。第一個模型被設計為測試我們的紙條的原型。第二個被設計為在現實生活中專門使用。這是我們項目的基石，因為這是人們會看到和使用的。

項目進展

熒光檢測系統功能正常。但是在家裡使用並不容易，所以我們面向乳膠珠系統。它在體外工作，但我們仍然有一些困難，使其在紙上工作。

激勵和動機的來源

我們學校的實驗室根本沒有使用適配體，但是我們通過閱讀文學了解到它們存在。我們馬上發現這是一個有希望的技術。我們進一步觀察文獻，了解有關信號轉導的一些想法。這使我們有了使用熒光的想法。

經過一番考驗，我們有點失望，所以我們去了波爾多（法國）的Aptamers國際大會。一些研究人員，特別是Ciara O Sullivan博士，帶給我們使用與適配體共價連接的納米粒子的想法。這個想法引誘了我們，我們立即開始研究它。但是，我們選擇使用乳膠珠，而不是像大多數實驗室一樣使用金納米顆粒。這是一個更環保的選擇，而且在大規模上更便宜。

我們的主要動機是為世界提供檢測性傳播感染的良好解決方案。但是我們很快就意識到，我們所取得的成果實際上是開發快速高效測試的更為通用的策略。事實上，我們制定了一個可以擴展到幾乎所有我們可以想到的目標的策略。

所以我們可以想像，將設備和紙條放在盒子內作為平台，以適應各種情況的適配體。我們可以檢測水分污染物（重金屬，農藥），其他健康問題（癌症，細菌感染...）和食物污染，而不僅是檢測性傳播感染。所以我們希望未來的iGEM團隊能夠在這個令人激動的道路上跟隨我們！

我們如何結合設計和合成生物學？

設計是我們項目演進的一個重要概念。我們想提出一個很容易使用的美觀有用的設備。負責設計研究的珍妮·塔龍諾（Jeanne Talonneau）加入了我們的團隊來幫助解決這個問題。大量的工作已經完成，我們已經完成了一個準備投放市場的最終產品。以下是有關導致設備設計的選擇的一些細節。

什麼讓設計師與生物學家見面？

珍妮是一個很好的例子：「我對生物學感興趣，當我年輕時學習科學。在大學期間，我決定學習應用藝術。但我想要滿足我對科學的好奇心，因此從事生物導向設計。我寫了一篇關於「失去對生活的控制」的回憶錄。要進一步，我想從事包括細菌在內的設計項目。這就是為什麼我加入了INSA里昂隊。」

設計為合成生物學帶來什麼？

設計讓您首先考慮最終用戶。科學家們試圖解決具體的問題，但是設計師傾向於更大規模地思考，他們也會考慮可以使用產品的環境。這兩種方法聯繫起來，帶來新的更好的反應。

合成生物學仍然是一個非常年輕的領域，以大型工業為中心。絕大多數市民從來沒有聽說過。設計可能是一個神話般的溝通工具，讓人們接受使用基於合成生物學的產品。

參與iGEM項目的動機是什麼？

2009年iGEM劍橋團隊開發的E. chromi是一個鼓舞人心的設計項目。他們設法以非常創造性的方式結合設計和合成生物學。

這個想法是建立一個合作項目。

在我們的團隊中，科學家分享了關於合成生物學的想法和知識，而我們的設計師Jeanne帶來不同的角度的洞察。大多數法國實驗室不考慮設計，儘管它可能是溝通和提出新解決方案的非常有用的工具。來自麻省理工學院的Neri Oxman的工作和劍橋的Alexandra Daisy Ginsberg的工作是了解如何將設計和合成生物學整合在一個項目中的靈感來源。iGEM是應用設計的一個非常獨特的機會。

如何實現我們的測試模型？

首先，我們列出了我們想要的設備成為功能原型的所有技術規格。這項工作出現了兩個正式的假設。大量草圖都是為了探索這兩種選擇。然後，整個團隊投票選出最佳選擇。圓形設計似乎更適合最終用戶，所以我們把它作為最終設計。隨著團隊的不斷討論的演變，3D列印模型被製作出來。

我們畫的第一張草圖。我們探討的兩個主要形狀的想法是在此刻定義的。

設計工作的方法是什麼？

首先，需要做很多工作來分析他人已經做了什麼。這個階段有助於找到靈感，避免製造已經存在的東西。雖然這個階段可能需要相當長的一段時間，但是由於我們一開始就制定了非常精確的技術規範，我們能夠很快地弄清楚一些事情。

第二階段是製作大量草圖。這是工作中最重要的部分。許多想法被放在紙上，它們逐漸演變，直到出現一個好主意。這是一個非常有趣的部分，因為我們可以看到思想的演變。然後草圖被矢量化以產生更正式的設計。

討論了這些設計以選擇最好的設計。一旦做出選擇，我們繼續使用3D列印原型。這個階段是棘手的，我們不得不調整設計很多，因為3D可視化讓我們看到哪些是可能實現的，哪些不是...

所以細節被糾正，設備的功能得到改進和改變。我們使用了大量的3D列印功能，可以讓我們的手放在設備上，看看需要修改的內容。所以這真的是一個合作的工作。

如何設計直觀的和用戶友好的東西？

良好的產品直觀易用。但是設計一些簡單的東西遠遠不容易。如果設備是直觀的，人們應該能夠直接使用它，而無需閱讀說明：這是每個功能設備的主要目標。

對於我們的項目，困難來自用戶必須遵循的精確協議。產品對於最終用戶來說必須易於使用。將顏色放在要被操縱的表面上，是指導用戶的一種方式。這就是為什麼我們決定將顏色放在用戶應該直接接觸的區域，並將其餘部分留白。

我們的設備的賣是什麼？

這是一個非常簡單的設備，與目前可用的相反。它便宜，小巧，易於使用。但主要是沒有侵略性，不像絕大多數醫療產品。隱藏在設備中的小針不是指注射器，所以物體比市場上的「威脅」更小。

這種設計經驗帶來什麼好處？

他是我們處理應用設計的第一個經驗。我們的項目很複雜，具有真正的應用目的。一起工作是非常愉快的。每個部分，設計和生物學都被聯繫在一起，溝通很容易的被設定。所有人都因此獲得了新的知識。令人遺憾的是，產品設計師很難與新產品的開發並行。這種經驗對於更有效地構建iGEM項目是非常有益的。設計應該是一個綜合實踐！

作為一種創新工具的集成設計

首先，我們必須為我們的設備定義一個我們想要的規格列表。構建新事物，真正創新是一項艱巨的任務，特別是當你從頭開始時。作為iGEMers，也是工程師，我們通過調查自檢市場開始了這項設計工作。

結果顯示，目前可用的測試並不直觀，價格昂貴，設計差。我們認為他們的複雜性不太適合潛在的用戶。我們還通過我們的社會實踐活動發現，當需要進行STD測試時，潛在用戶往往會表現的受到壓力和不舒服。所以我們想簡化操作，以避免不必要的不適和潛在的濫用。最重要的一點是，市場上沒有自檢產品能夠適應多種STI的檢測。

·目前的自我測試解決方案還沒有得到很好的發展，除了妊娠檢測外，在法國也只有一次自檢。我們分析了它們來探討其局限性。

·現有的艾滋病毒檢測相當複雜，有八個要素由用戶操縱。

·緩衝帽是一體的，需要放在別的地方，這一點不容易讓人理解。

·價格隨之而來，售價在35美元左右。結果顯示需要15分鐘，這可能是壓力的來源。

·測試總體來說是相當冷酷和不友好的，無助於改善情況。

·它是基於聚苯乙烯的，所以不是環保的。

·對於艾滋病毒的特殊情況，檢測僅在感染後3個月才有效。

基於這些觀察，我們建立了我們自己的設計要求。測試需要：

·一次能夠檢測到多個STI;

·產生快速相關的結果;

·直觀;

·包含最少量的組成部分;

·生物來源和環保;

·能夠早期發現疾病。

考慮到所有這些信息，我們開始了設計過程。在設計草圖和第一個形狀選擇的階段後，選擇的形狀在3D列印中進行了建模。在實驗室中列印並測試了原型。使原液中的紙帶上的液體正確移動並不容易。需要進行五次試驗才能取得良好表現。然後，最終形狀也被開發，列印和測試。我們不斷重複這些開發周期，直到我們對結果滿意為止。

3D列印我們的設備

我們的設備由兩個主要功能部件組成。將生物檢測材料放在紙條上。單獨的紙條將難以用手拿住。外殼在這裡充當直觀的用戶界面。因此便於手持。我們選擇3D列印來製作外殼。為了更好地理解這種技術和它的好處，我們訪問了3D列印專家Damien Jacques。

我們的設備使用PLA（聚乳酸）進行列印，它是一種生物源的和可完全生物降解的塑料。對於我們來說，重要的是要在設備的製造過程中整合一個環保的方法。檢測系統是以紙為基礎的，也是完全可生物降解的。

我們的設備展示的新理念

由於我們的最終測試旨在一次檢測出幾種疾病，因此我們需要一個能夠明確讀取結果的形狀。製作線性設備，所有疾病的結果真的很接近，是我們的第一選擇。

但是我們很快就認為這不是一個好的解決方案，因為它可能會導致誤解。所以採用圓形，在其上不同疾病的檢測變得更直觀。而且，由於沒有讓人聯想到醫療器械，所以圓形形狀給人帶來的衝擊感更小。

設計本身包括兩個主要功能部件，圖片上的彩色表面。設計本身包括兩個主要功能部件，圖片上的彩色表面。然後用戶將手指上的血液滴放在設備的中心的圓圈中。當然，一個單一的液滴不足以使正確的液體遷移到裝置中。

因此，提供了一小瓶緩衝液，以便用戶填充到中央儲存器以稀釋樣品。然後遷移開始，結果在十五分鐘內可用。每個測試的疾病將在每個檢測墊上方的標籤上具有其名稱，以確保結果的正確解釋。該形狀的設計旨在確保手在設備上的最佳抓地力。我們認為最終用戶可能能夠快速查看說明進行測試。這個裝置在這裡是為了解決一個巨大的公共衛生問題。

如社會實踐部分所示，這不是一個容易的問題。這個問題侵犯了每個人的隱私，所以很敏感。到目前為止，自檢在市場上仍然很少見。目前可用的那些產品通常僅以專門的結構出售。能夠一次性和早期檢測幾種疾病的設備可能是市場上的巨大創新。

我們的目標是以低價出售自我測試產品。所使用的材料便宜，只需紙張和PLA。所以設備可能真的比較便宜。保質期也是決定因素。通過使用DNA，我們希望能夠實現一整年的有效時間。當然，建立一個功能齊全，可靠的設備仍然需要大量的開發工作。但是，隨著我們得到的結果，我們認為致力於開發這樣一個測試設備可能是一個很好的投資。

我們的設備的最終模型，以3.5：1的比例列印，用於演示。

用戶手冊

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 iGEM 的精彩文章: