無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)及其在急性心肌梗死快速診斷中的應(yīng)用

崔華邵元華徐國寶楊笛

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 2300262；2. 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871；3. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所電分析化學(xué)國家重點實驗室，長春130022；4. 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心臟科，南京 210029）

無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)及其在急性心肌梗死快速診斷中的應(yīng)用

崔華1邵元華2徐國寶3楊笛4

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 2300262；2. 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871；3. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所電分析化學(xué)國家重點實驗室，長春130022；4. 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心臟科，南京 210029）

急性心肌梗死是目前世界上最常見的疾病死亡原因，盡管近10年來我國診療技術(shù)有了明顯提高，在急性心肌梗死的診斷和治療等相關(guān)領(lǐng)域，國家投入也逐年加大，但死亡率卻居高不下，其主要原因之一是缺乏即時診斷的快速檢測技術(shù)［1］。針對高發(fā)病率和高死亡率急性心肌梗死對快速、靈敏、低成本體外診斷技術(shù)的迫切需求，項目開展無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)及其在急性心肌梗死快速診斷中的應(yīng)用研究，發(fā)展高敏感性、高特異性的急性心肌梗死快速診斷新方法，將急性心肌梗死確診時間縮短至發(fā)病3 h以內(nèi)。

體外診斷技術(shù)的發(fā)展對于重大疾病的早期診斷、個性化治療和預(yù)后評估具有重要的科學(xué)意義和社會需求。現(xiàn)行的體外診斷方法主要依賴于基于標記技術(shù)的高靈敏化學(xué)發(fā)光分析方法，標記過程復(fù)雜、耗時，難以進行快速和現(xiàn)場分析［2，3］。同時，現(xiàn)有體外診斷技術(shù)基本被國外所壟斷。因此，急需發(fā)展快速、低成本、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的分析新技術(shù)。無標記分析技術(shù)由于無需進行復(fù)雜標記，避免了多步孵育及洗滌，從而實現(xiàn)快速檢測；無需引入第二段分析探針如二抗，從而使分析目標物的數(shù)量和種類大大擴展。由于極大簡化了制備和操作過程，無標記分析方法具有簡便、快捷、低成本等優(yōu)點，非常適合開發(fā)快速、靈敏、低成本體外診斷技術(shù)，是體外診斷技術(shù)新的發(fā)展趨勢［4，5］?；瘜W(xué)發(fā)光分析法（包括電化學(xué)發(fā)光）無需外部光源和分光系統(tǒng)，儀器簡單、靈敏度高、線性范圍寬、分析速度快，已成為體外分析的主要手段。納米材料大的比表面積和表面活性非常適合高密度化學(xué)發(fā)光分子的固載以及合成化學(xué)發(fā)光功能化納米材料；納米材料易于與生物分子和其它納米材料組裝，結(jié)合精確組裝，可構(gòu)建優(yōu)良的分析界面；一些納米材料能促進化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中間活性自由基的形成和電子轉(zhuǎn)移，對化學(xué)發(fā)光反應(yīng)具有很強的催化作用，可大大提高化學(xué)發(fā)光強度，從而達到更高的檢測靈敏度；納米界面上分子傳質(zhì)快于傳統(tǒng)宏觀界面，可以實現(xiàn)快速分子識別事件［6，7］。納米材料的上述特性與無標記化學(xué)發(fā)光分析方法所針對的快速檢測過程完美匹配。因此，開展無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)及其在急性心肌梗死快速診斷中的應(yīng)用研究具有重要的科學(xué)意義和實用價值。該方法基于識別分子與目標分析物結(jié)合后引起分析界面的化學(xué)發(fā)光信號變化，實現(xiàn)分析物濃度測定。設(shè)計與構(gòu)筑集識別、響應(yīng)、放大功能于一體的納米化學(xué)發(fā)光分析界面是本項目的關(guān)鍵。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：（1）納米材料與化學(xué)發(fā)光分子相互作用規(guī)律、能量與電荷轉(zhuǎn)移規(guī)律及化學(xué)發(fā)光特性研究；（2）分析界面的納米精度組裝及納米界面上光、電化學(xué)性質(zhì)的分子調(diào)控與疾病標志物特異識別。

1 研究內(nèi)容和方法

圍繞以上兩個關(guān)鍵科學(xué)問題，我們組建了一支在化學(xué)發(fā)光功能化納米材料的合成、界面組裝、納米生物分析、急性心肌梗死臨床研究、體外診斷、儀器與試劑盒研制等領(lǐng)域具有交叉學(xué)科背景的研究團隊，由崔華教授（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，擔任項目負責(zé)人）、邵元華教授（北京大學(xué)）、徐國寶研究員（中科院長春應(yīng)化所）和楊笛研究員（南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院）共同組成。項目的主要研究內(nèi)容包括：（1）化學(xué)發(fā)光功能化納米材料的合成和化學(xué)發(fā)光特性的研究。探索新的合成方法，利用高效的化學(xué)發(fā)光試劑和性能優(yōu)良的催化劑，合成化學(xué)發(fā)光功能化的金屬、碳、金屬-碳、磁性納米材料，對其形貌、尺寸、化學(xué)組成等進行表征，研究其化學(xué)發(fā)光特性及機理。（2）急性心肌梗死主要蛋白質(zhì)標志物的抗體和適配體的研制和優(yōu)化。將針對急性心肌梗死蛋白質(zhì)標志物，研制和優(yōu)化單克隆抗體，篩選適配體。（3）分析界面的組裝和無標記化學(xué)發(fā)光分析新方法的研究。針對急性心肌梗死相關(guān)的蛋白質(zhì)（cTnI、和肽素、H-FABP等）、miRNA（miR-499、miR-133a等）標志物，利用合成的化學(xué)發(fā)光功能化納米材料與獲得的單克隆抗體或適配體，構(gòu)建集識別、響應(yīng)、放大3種功能于一體的納米化學(xué)發(fā)光分析界面，發(fā)展無標記納米化學(xué)發(fā)光分析新方法。（4）無標記納米化學(xué)發(fā)光原理性檢測器件的研制。針對單一急性心肌梗死標志物，開發(fā)快速、靈敏、低成本智能手機檢測器件和便攜式（電）化學(xué)發(fā)光檢測器件；針對急性心肌梗死多重標志物，建立同時測定多組分的陣列、芯片檢測技術(shù)；開發(fā)臨床檢測試劑與試劑盒。（5）無標記化學(xué)發(fā)光納米分析新技術(shù)在急性心肌梗死快速診斷中的應(yīng)用研究。建立臨床急性心肌梗死血標本庫，利用陣列、芯片檢測技術(shù)，同時測定臨床樣品中多種急性心肌梗死標志物，建立急性心肌梗死快速診斷多重標志物聯(lián)合檢測模型，評價其敏感性、特異性及在急性心肌梗死快速診斷應(yīng)用中的價值。

2 項目特點

本項目具有以下幾個特點：（1）項目基于研究團隊率先提出的在納米合成過程中直接將發(fā)光試劑、發(fā)光試劑/催化劑組裝在納米材料表面這一新的思路，制備新型高效化學(xué)發(fā)光功能化納米材料。對納米材料與化學(xué)發(fā)光分子相互作用規(guī)律、能量與電荷轉(zhuǎn)移規(guī)律及化學(xué)發(fā)光特性進行研究，將進一步豐富人們對于納米材料獨特性質(zhì)的認識，推動先進功能化納米材料的研究。（2）項目提出了納米分析界面構(gòu)筑的新策略。將生物分子如DNA 和蛋白質(zhì)等的程序化自組裝和納米材料的可控生物修飾從溶液引入到異相界面，構(gòu)筑兼具分子識別、響應(yīng)與信號放大功能的高質(zhì)量納米化學(xué)發(fā)光分析界面，相比于傳統(tǒng)分析界面具有更好的可控性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。上述工作對界面組裝的基礎(chǔ)理論研究具有重要的意義。（3）項目提出了基于化學(xué)發(fā)光功能化納米分析界面的無標記分析新方法。針對急性心肌梗死標志物，可望開發(fā)出我國具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)、快速、靈敏、特異、低成本的無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)，進而開發(fā)出原理性檢測器件及臨床檢測試劑與試劑盒。（4）將先進的檢測和加工技術(shù)引入了體外診斷技術(shù)。最近，智能手機檢測、3D打印技術(shù)、芯片技術(shù)、微納加工技術(shù)發(fā)展迅速。本項目率先將這些技術(shù)引入無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)中，將有效地降低成本，使檢測器件小型化，為開發(fā)便攜式體外診斷裝置奠定了重要的基礎(chǔ)。（5）項目提出了急性心肌梗死快速診斷的多重標志物聯(lián)合檢測的研究思路，將彌補目前單一標志物診斷急性心肌梗死特異性與敏感性不能兼顧的缺陷，可有效提高急性心肌梗死診斷的準確性。

3 預(yù)期成果及展望

通過本項目的實施，解決提出的科學(xué)問題，將豐富人們對功能化納米材料特殊的化學(xué)發(fā)光、界面等物理化學(xué)性質(zhì)的認識，可獲得多種在體外診斷中具有重要應(yīng)用價值和商業(yè)價值的化學(xué)發(fā)光功能化納米材料，建立無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)，在納米生物分析與醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域獲得一批具有重要國際影響的研究成果，為自主創(chuàng)新國家戰(zhàn)略的實施積累原始創(chuàng)新方案。進一步，將開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無標記體外診斷新技術(shù)用于急性心肌梗死快速診斷，將提升我國急性心肌梗死的快速診斷水平，為未來開發(fā)相關(guān)的臨床分析產(chǎn)品提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。無標記納米化學(xué)發(fā)光方法及其在體外診斷中的應(yīng)用研究在國際上剛剛起步，本項目率先在國際上開展無標記納米化學(xué)發(fā)光新一代體外診斷技術(shù)的研究，對國家體外診斷新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義?？赏麕痈咚窖芯炕氐慕ㄔO(shè)，為國家培養(yǎng)一批具有專業(yè)精神和團隊合作能力的，能解決具體問題的優(yōu)秀人才。

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（責(zé)任編輯 馬鑫）