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量子点创新如何帮助世界应对COVID-19

1 COVID-19

正如最近两个世纪所见证的那样,大约每100年,我们就面临着流感大流行,因此有必要与新型病毒株作斗争。由于20201月爆发了新的冠状病毒(2型严重急性呼吸系统综合症冠状病毒[SARS-CoV-2]),目前正在进行许多临床研究,目的是彻底根除或根除该疾病。研发冠状病毒疾病2019COVID-19)检测试剂盒或疫苗仍然难以捉摸,在这方面,通过表面工程技术开发具有增强特异性的抗病毒纳米材料可能被证明可与这种新型病毒抗衡。抗/抑制COVID-19病毒活性的能力。

COVID-19的生物学定义

2 COVID-19的结构

WHOCOVID-19定义为大流行性疾病。该疾病是由β-冠状病毒属病毒引起的,该病毒可能起源于蝙蝠。该病毒会导致人类严重的呼吸道疾病。COVID-19SAR-CoV和中东呼吸综合征-冠状病毒(MERS-CoV)的序列相似性指数分别为79%和50%。 COVID-19的结构由约30,000个核苷酸的单链正义RNA组成。此外,COVID-19具有五个结构蛋白,即(i)尖峰(S),(ii)核衣壳,(iii)包膜,(iv)膜和(v)血凝素酯酶二聚体蛋白(图2)。病毒主要起作用的是S蛋白(刺突蛋白)发挥了通过确定宿主抗体和中和它们感染细胞。此外,进入宿主细胞后,S蛋白对人类受体ACE2(血管紧张素转换酶2)的亲和力更强。ACE2是一种酶,附着在肺、胃、小肠、结肠、肾脏、淋巴结和肝胆管的下呼吸道细胞膜上。

COVID19诊断

全球范围内正在进行广泛的研究以开发针对COVID-19的药物。但是,迄今为止,美国食品药品监督管理局尚未批准任何治疗COVID-19的疗法或疫苗。因此,在这一点上,COVID-19的早期诊断在识别和隔离感染COVID-19的人以防止病毒进一步传播方面起着关键作用。在这方面,已经开发了几种监视监视系统来抑制COVID-19的传播。此外,诊断方法学包括基于核酸的检测(逆转录酶-聚合酶链反应),计算机断层扫描和X射线,可用于制作COVID-19。其中,基于核酸的COVID-19测试似乎很有希望。但是,主机对此类测试的响应需要进一步调查。当前,大多数诊断辅助工具处于概念验证状态。

针对COVID19的疗法

目前,基于症状性疾病的支持药物被作为可能感染者的一线治疗方法。此外,正在临床试验中评估抗病毒治疗、抗生素、皮质类固醇以及改用和消炎药物等治疗选择。但是,尚不清楚抗击COVID-19所需的确切药物或药物组合。因此,目前暂时使用基于抗病毒疗法的药物,如瑞姆昔韦、洛匹那韦-利托那韦和法维拉韦作为前药来抑制病毒RNA聚合酶的活性。同样,诸如氯喹及其衍生物羟氯喹之类的药物分别具有抗病毒(抗严重急性呼吸综合征冠状病毒[SARS-CoV]和人冠状病毒OC43 [HCoV-OC43])和预防活性。初步研究结果表明,氯喹和其衍生物羟可用于治疗COVID-19,因为它具有与病毒-细胞积液干扰的能力。通常,一些抗炎药,例如糖皮质激素、托珠单抗和Siltuximab可用于治疗COVID-19。但是,由这些药物引起的副作用尚不清楚。在某些情况下,还进行了恢复性血浆疗法,其中从COVID-19中康复的患者中获取了免疫球蛋白,以增强体液反应。

量子点对抗COVID19

纳米材料在纳米生物技术领域的应用正在彻底改变用于诊断和治疗疾病的医学方法。近年来,这些纳米材料已被用于选择性地将药物释放到癌症治疗中受损的细胞或组织中。纳米材料的作用还可以扩展到病毒感染性疾病,例如人类免疫缺陷病毒(HIV),埃博拉病毒和SARS-CoV]纳米材料具有高的表面体积比,可以使它们与宿主细胞上的多个配体结合,并使其通过多价相互作用而抵抗病毒附着。

3 QDSARSCoV2采取的行动的示意图

量子点(QD,也称为半导体纳米材料,与高荧光探针共轭,对于各种细胞过程的检测和长期荧光成像至关重要具有可调谐等离子体纳米颗粒(10-300纳米)相比,量子点的尺寸范围为1至与可调谐光学波长为10nm。因此,量子点已被鉴定为分子成像的新型荧光探针。由于具有这些优异的特性,因此QD可以被认为是对抗病毒感染的出色药物。而且,掺入潜在的生物相容性载体可以帮助进行跨学科研究,并允许采用临床方法来对抗病毒。QD作为载体/标记药物或药物载体的作用(图3)。

QDS的行动方式

QD消除SARS-CoV-2感染有关的决定性努力可能会引起研究人员的极大兴趣。采用QD的主要原理可以归因于在特定波长的光下的可追溯性。此外,量子点可以调整到所需的大小(1-10 nm),其形状可以有效地瞄准/穿透SARS-CoV-2,其大小范围在60140 nm之间。]碳基量子点的正表面电荷可用于螯合/禁用SARS-CoV-2S蛋白。此外,量子点所表现出的阳离子表面电荷与病毒的负RNA链相互作用,导致SARS-CoV-2内产生活性氧。学者证明了碳点(CD)对假狂犬病病毒和猪繁殖与呼吸综合征病毒的抗病毒作用。CD会诱导干扰素刺激基因的激活,特别是干扰素α的产生,从而抑制病毒复制。此外,将所需的官能团与QD结合可以有效地与SARS-CoV-2的进入受体相互作用,并影响基因组复制。因此,衍生自4-氨基苯基硼酸盐酸盐(4-AB / C-dots)的CD的抗病毒潜力显示出对1型单纯疱疹病毒的抑制特性,其中CD专门作用于病毒感染的早期阶段。最近,Łoczechin 等人证明了通过水热碳化和与硼酸(碳量子点-3)结合制备的不同CD以剂量依赖的方式对高致病性人冠状病毒具有抗病毒特性。此外,发现CD的功能基团与人类冠状病毒229ES蛋白相互作用,从而阻止了病毒与宿主细胞膜的进入和相互作用。类似地,源自苯并恶嗪单体的CD直接与病毒体(日本脑炎,寨卡病毒和登革热病毒,猪细小病毒和腺病毒相关病毒)的表面结合,从而阻碍了病毒与宿主细胞的相互作用。同样,甘草酸衍生的Gly-CD通过抑制猪繁殖与呼吸综合征病毒的传播发挥了出色的抗病毒特性。

此外,在QD合成中使用常规生物化合物(例如姜黄素)可以提供抗病毒药物的合适选择。尽管上述研究表明不同CD表现出广泛的抗病毒活性,但它们的确切作用方式仍不清楚。QD作为抗病毒剂的一个显着局限性是其体内毒性。请记住,优化QD和使用针对SARS-CoV-2的新型功能分子的进一步详细实验方法将推断出COVID-19治疗剂的纳米结构,以在不久的将来消除威胁生命的疾病。

QDS作为病毒生物传感器

令人兴奋的方法之一是通过荧光成像研究体内微生物(细菌,真菌和病毒)的结构和生命周期。除了最近开发的抗菌纳米材料外,石墨烯量子点和碳量子点在微生物的生物传感方面也显示出越来越广泛的应用,因此可以用作医学诊断的替代方法。在2008年,用于标记病毒的包膜使用量子点的已被证实,随后的摄取机制的研究。

碳量子点现在是用于检测微生物/生物分子的主要成像探针(化学传感器和生物传感器)。已经证明,与传统的检测方法相比,碳定量检测与超灵敏的侧向流免疫分析系统相结合,可以高效,高特异性地检测甲型流感病毒亚型。类似地,传染性支气管炎病毒的生物传感是通过具有蓝色荧光发射的手性锆QD实现的。Ashiba 等人开发了QD荧光标记,以提高表面等离振子共振辅助荧光免疫测定的灵敏度,该方法可有效检测诺如病毒样颗粒。此外,QD与转录激活因子样效应物结合用于活细胞成像,以鉴定人类染色体中HIV-1的单基因位点。Liu等报告指出,从大麦幼叶粉末形式制备的CD表现出不同的荧光颜色,例如蓝色(b-CD)和花青素(c-CD),这些颜色已用于选择性细胞成像。b-CD可以选择性地进入PK-15细胞的细胞质,而c-CD则分散在整个细胞以及细胞核中。此外,b-CD对伪狂犬病病毒显示出抗病毒活性。在当前情况下,COVID-19感染正在迅速蔓延,并且症状的发作因人而异。因此,迫切需要确定新的诊断方法。在这方面,识别或合成基于荧光的新QD或自定义上述任何QD可能会帮助研究人员开发有效的COVID-19诊断方法。

量子点应用的意义

COVID-19的极度传染使我们比以往任何时候都更加依赖技术来维护公共健康。这种大流行病给某些行业带来了压力,他们需要寻找和适应更快,更具成本效益的非接触式操作方式,同时还向我们展示了我们缺乏能力的地方。创新正以闪电般的速度发展,以跟上各地的快速变化,包括医疗保健、商业、甚至农业和制造业。光电探测器(光敏设备)支持这项创新,并且在适应新世界的许多技术中都处于落后地位。

·         温度检查已经成为报告工作,参加活动甚至在走进医院之前的常规先兆。温度感应相机正在逐步应用于机场、购物中心和拥挤的城市,以帮助控制疾病传播的可能性。

·         消费者现在正在使用互联网,点击付款和QR码进行金融交易。

·         对于那些从事高安全性工作和访问敏感数字文件的人来说,面部识别正成为首选的识别技术 -因为扫描传感器不需要接触可能被污染的表面。

·         在肉类包装和制造设施中,可以使用特殊的摄像头来查看肉眼无法察觉的缺陷和缺陷,从而使员工能够与自己保持距离,同时避免因关闭而在大流行初期经历的肉类短缺

·         在中国和世界其他地区,越来越多的人将自动驾驶技术用于向医疗服务人员和居住在感染率高的地区的人们运输医疗用品和食品。

使用光电探测器的工具已经从最新的时尚产品转变为日常生活中不可或缺的一部分。随着我们越来越依赖这些技术来支持我们的交易和交互,所用光电探测器的改进将推动创新,以实现更高质量,更准确,更快的响应时间并减少能耗。诸如量子点之类的纳米技术创新是最新的发展,它将把光电检测提升到一个新的水平。

现有技术还存在不足

在我们了解量子点之前,了解近红外检测及其在光电检测技术中的重要性将非常有用。人眼看不到近红外(NIR)光,但这是使机器能够感知所见事物的关键。对检测到的NIR波的分析可以指示温度,物理对象(以跟踪人眼看不见的特殊特征或在黑暗中看到它们的特征)和化学成分,甚至可以帮助检测体内不健康的组织。大多数光电检测技术都依赖NIR光波来分析环境或有问题的物体。

为了感应NIR波,光电探测器必须包含对NIR光谱有反应的材料。例如,当光照射材料时,材料中的一些电子被激活。这些激活的电子触发机器中的响应,然后向用户提供信息,例如温度波动,图像和其他背景信息。

可访问性和功能性是近红外光电探测器需要克服的两个主要障碍。当前最先进的产品是使用InGaAsGe基探测器制造的,这种探测器笨重且制造昂贵NIR敏感材料中的电子必须具有足够的能量,才能从光电探测器移动到所连接的电路。这些电路必须连接到光电探测器-这需要非常精确的过程才能将每个像素连接到相应的电子设备。这些光电探测器还需要使用比新兴的量子点技术消耗更多能量的大量材料。这些问题的结合使得无法大规模推广在全球范围内处理COVID-19所需的设备。

量子点支持增长的技术

NIR范围内有效的量子点(例如QDot™PbS)为解决当前产品技术相关的问题提供了解决方案。它们的制造和集成成本较低,并且由于可以减小像素大小,因此可以进行更精确的检测。每个传感器仅需要几十毫克的这些量子点,这使得量子点本身就是一个非常实惠的选择。此外,量子点与基于硅的传感器电子设备兼容(价格适中,但对检测NIR波的灵敏度不高),并且可以旋涂,喷涂,印刷甚至刷涂直接放在探测器表面上。量子点比基于InGaAs的检测器具有更高的灵敏度,并且可以进行调谐以拾取NIR范围内更宽的​​波长范围。

可重现性是使用量子点最具挑战性的元素之一,因为只有几纳米大小的差异才能完全改变PbS QD的吸收范围。NIR量子点的领先制造商Quantum Solutions已完善其制造工艺。他们甚至可以调整自己的Qdot,以最好地满足单个应用程序的要求。该公司的成立是为了处理大规模的量子点生产,随着我们适应后COVID的世界,他们已经准备好应对新兴技术的传入需求。

量子解决方案支持光电探测器的未来

支持日常生活的技术需求比以往任何时候都更大。我们依靠进步来帮助我们保持安全,并在努力消除致命病毒的全球威胁的同时保持世界运转。我们的生活越依赖于所使用的技术,它就应该越容易负担得起,可访问并且对我们不断变化的需求做出响应。

光电探测器是当前实现非接触式,远距离现实的最重要技术。近红外量子点将成为该领域改进和创新的推动力。昆腾解决方案通过向公司提供这些动态材料铺平了道路,从而实现了这一创新。

参考文献:

Manivannan, Selvambigai, and Kumar Ponnuchamy. "Quantum dots as a promising agent to combat COVID19." Applied Organometallic Chemistry (2020): e5887.

 

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