可防止抗生素滥用，中国科学家通过快速、便携的试纸甄别细菌性和病毒性感染，成本约3....
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麻省理工科技评论-可防止抗生素滥用，中国科学家通过快速、便携的试纸甄别细菌性和病毒性感染，成本约3.5美元
吃消炎药或可缓解发炎症状，但实际上消炎药属于抗生素类药物，只适用于细菌性感染的情况。而抗生素滥用会使细菌抗药性增强，进一步导致超级细菌的滋生。
那么，是否能在用药之前，快速、准确地甄别细菌性感染与病毒性感染呢？
近期，康奈尔大学团队开发了可同时定量检测 C-反应蛋白（C-reactive protein，CRP）和降钙素原（Procalcitonin, PCT）的新型平台，通过横向流动分析法和荧光阅读器识别，只需要在该平台滴上一滴血清，即可在 20 分钟内甄别细菌性和病毒性感染。
该平台还具有低价及便携的特点，目前已通过小规模临床病人血清样本成功验证了两种标志物同时量化的准确性。该技术为发展中国家以及欠发达地区甄别细菌性和病毒性感染提供了新途径。
近日，相关论文以《用于快速、同时定量检测人血清中降钙素原和 C- 反应蛋白的诊断平台》（A diagnostic platform for rapid, simultaneous quantification of procalcitonin and C-reactive protein in human serum）为题发表在 The Lancet 子刊 eBioMedicine，并被选为为当期的亮点文章。
麻省理工学院（MIT）化学工程系博后研究员（原康奈尔大学机械与航天工程系博士）曹祥坤为该论文第一作者，康奈尔大学机械与航天工程学院学院大卫·埃里克森（David Erickson）教授、营养科学部索拉布·梅塔（Saurabh Mehta）教授为该论文共同通讯作者。
20 分钟通过血清甄别细菌感染及病毒感染，已在小规模临床样本中获成功验证
脓毒症是一种危及生命的综合征，主要由宿主对细菌感染的极端和失调的炎症反应引起。需要对细菌和病毒感染进行早期和准确的鉴别诊断，以及时给予适当的抗生素治疗并防止抗生素滥用。
目前的临床诊断侧重于检测特定病原体诱导的宿主生物标志物以推断细菌感染的存在。PCT 和 CRP 因其可预测的动力学、适当的半衰期和高特异性而被广泛用作甄别细菌感染的生物标志物。
CRP 是一种由 224 个氨基酸组成的五聚体蛋白，由肝细胞响应感染和炎症损伤而分泌到血流中。同样，健康个体血清中 CRP 的基线水平较低（< 1mg/dL），但 CRP 增加数倍，甚至可达到 >25mg/dL，以应对严重的细菌感染和炎症损伤，其浓度 12-24 小时内开始上升，并于 20-72 小时内达到平台期。
曹祥坤指出，由于 CRP 的特异性差，在高浓度时还可能会出现钩状效应（Hook Effect），在此范围内，检测高剂量抗原抗体标本时，会出现假低值甚至假阴性，需要进行进一步分析（如稀释测定、动力学分析）才可以准确地确定 CRP 的浓度。
而 PCT 是由甲状腺 C 细胞合成的 116 个氨基酸的多肽，在健康个体中，PCT 的血清浓度通常处于 0.5ng/mL 以下的低浓度，感染性休克时可超过 10ng/mL。PCT 经历数次蛋白水解裂解，释放三种成熟蛋白，包括降钙素。
实验性败血症模型表明，PCT 水平在 4 小时内系统地增加几个数量级以响应细菌感染，在 6 小时达到峰值，8-24 小时达到平台期。相反，当细菌性感染消退时，PCT 水平会下降。
PCT 水平对细菌感染的快速、可预测的反应使其成为诊断细菌感染、评估疾病严重程度和监测治疗反应的有前途的生物标志物。与 CRP 相比，PCT 能在细菌性感染的早期迅速地响应，在 4 小时内浓度迅速上升。
“PCT 并被认为是目前最敏感的脓毒血症诊断指标之一，但是其浓度即使在感染时也属于 ng/mL 的范围，因此更难以检测，尤其在轻微感染期。”曹祥坤说。
目前，大多数用于量化 PCT 和 CRP 的中心实验室方法依赖于专业的设备，这些设备不仅价格高昂，并且设备体积庞大。此外，仅专业人员才能实现相关设备的操作，这进一步限制了它们的广泛使用。
曹祥坤指出，“通过我们的平台，可把 PCT 和 CRP 两种生物标志物同时检测及量化，发挥两者各自的优势并形成互补，不仅能在早期发现细菌感染，还可提升检测的灵敏度与特异性。”
为验证该诊断平台的准确性，该团队进行了小型临床样本验证。他们通过威尔康奈尔医学院采集的病人的血清样本，并与获得美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的常规检测金方法（罗氏及西门子）进行了对比。结果发现，使用该平台的检测结果与金方法检测结果呈高度相关性。
自主研发高精度阅读器，实现同一试纸同时检测出 PCT 与 CRP 两个标志物
实际上，PCT 与 CRP 的浓度相差 1000 倍，该研究中最大的难点在于如何用使用一根试纸同时检测出 PCT 与 CRP 两个标志物。为此，该团队除了针对试纸的条带结构进行设计，对于抗体进行优化以外，也自主研发了一种高精度的光学阅读器用于试纸信号的成像及量化，该成像系统的优势如下所述。
第一，该阅读器应用一种新颖的成像机制，通过存储 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）相机的未处理原始数据，并在多个条带上应用相同的亮度设置以避免试纸间背景差异所带来的误差。
第二，阅读器系统很容易地适应各种共轭聚合物纳米微球材料的可视化，因此能够大大扩充应用的范围。曹祥坤表示：“我们已证明通过对带通滤光片进行微调，该光学阅读器可以很容易地适用于基于纳米金颗粒、乳胶珠和荧光团（如 R-藻红蛋白、荧光素和藻红蛋白花青 5、铕螯合微球等）的试纸的成像与量化。”
第三，针对颜色检测和区分进行优化的光学阅读器具有拾取微弱信号以增加分析物检测极限的明显优势。
“光学阅读器的内部所有组件都可以从市面上获取，总价低于 70 美元。用于 PCT 和 CRP 共同量化检测的每条试纸的制造成本约为 3.5 美元。”曹祥坤说。
根据团队预测，该光学阅读器和测试条的成本还有优化的空间。“当前的铕偶联试剂盒可让抗体或蛋白质快速地偶联到高质量的铕 (Eu) 螯合微球上，但其成本较高，可使用同样灵敏度高、成本低的其他纳米粒子（例如上转换纳米粒子）进行替换。这样每条试纸的成本有望进一步降低至 1-2 美元。”他说。
目前，该团队正在相关专利的申请中，并将经过更大的临床测试之后，计划后期申请 FDA 的批准。
以工程思维实现多学科跨越，从光流体学到碳捕获与碳利用
北京时间 6 月 10 日，2022 年施密特科学研究员名单正式公布，曹祥坤获康奈尔大学提名后入选，成为该校首名入选施密特科学研究员的学者[2]。这与他能源动力工程、材料工程、机械工程、化学工程的多学科交叉科研背景与系列科研成果密不可分。
曹祥坤本科毕业于西安交通大学钱学森实验班，并获得新能源方向工学学士以及英语文学方向文学学士学位，硕士阶段就读于加拿大麦吉尔大学材料工程系。
博士毕业于康奈尔大学，师从该校机械与航天工程学院学院院长大卫·埃里克森（David Erickson）院士。对于光与流体在健康领域的应用，他也曾在 Analytical Chemistry 发表相关论文，将其用于甄别检测疟疾和伤寒这两种发烧疾病[3]。
健康领域之外，他的主要研究领域在于光与流体在可持续发展领域的应用。光流体是一个快速发展的领域，它利用光学和微流体的集成在微系统中提供许多新颖的功能。目前，该领域已经开发出独特的工具和技术，可以同时传输具有微观精度的光和流体。
博士期间，他还开发了一款用于 CO2 催化转化的规模化光流体反应器 HI-Light，充分利用太阳光全波谱的光（短波段）和热（长波段），并通过光波导和导流板优化反应器中光和流体的分布，从而提供反应效率[4]。
在 Wyoming 州的实地测试中，该技术仅利用太阳光作为唯一的热源，针对于逆水煤气变换反应达到了 50% 以上的 CO2 转化率（第三方认证产率）。因此，该项反应器技术入围 2021 年全球六个团队入选的最佳二氧化碳利用奖（Best CO2 Utilisation Award）。目前，该技术已被康奈尔大学孵化公司商业化。
自 2021 年 9 月起，曹祥坤在 MIT 气候与可持续发展联盟任影响力研究员（全球 8 名 fellow 中唯一的中国学者），致力于对于碳捕获、利用与封存的技术、商业与政策的评估[5,6]。
同时，他于 MIT 化学工程系任博士后研究员，导师为 MIT 大卫・H・科赫化学工程实践学院 T·艾伦·哈顿（T. Alan Hatton）教授，他在 Hatton 教授的指导下从事分布式碳捕获的研究。
在施密特科学研究员任职期间，他还将同时师从美国西北大学电气与计算机工程系与化学系双聘教授爱德华·H·萨金特（Edward H. Sargent）院士。在哈顿教授和萨金特院士的联合指导下，他将关注碳捕获与碳利用从分子尺度到过程尺度的结合，以及机器学习在碳捕获与利用中的应用。
曹祥坤表示，“入选施密特研究员对我说一份殊荣，也是一个难得的可以跨学科研究的机遇。我期待在两位导师的指导下，能够挖掘出更多碳捕获与利用的有机结合点。不仅关注这其中的科学问题，也期待能够发现新的商业化机遇。我相信碳捕获、利用与封存这一领域大有可为！”
-End-
1.Xiangkun Elvis Cao et al. eBioMedicine 76, 103867(2022). https ://doi.org/10.1016/j.ebiom.2022.103867
2.Schmidt Science Fellows 2022: https://schmidtsciencefellows.org/news/learn-more-about-our-2022-fellows/
3.Xiangkun Elvis Cao et al. Two-Color Duplex Platform for Point-of-Care Differential Detection of Malaria and Typhoid Fever.Analytical Chemistry 93, 36, 12175–12180（2021）. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c03298
4.Xiangkun Elvis Cao et al. iScience 23,12, 101856（2020）.
https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101856
5.Xiangkun Elvis Cao et al. Matter 4, 9, 2690-2693（2021）.
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.07.014
6.Impacting climate as a young innovator:
https://www.un.org/development/desa/un-desa-voice/sdg-blog/2021/11
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