生物傳感與重大疾病研究

冷 雪

近年來，隨著化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)等的迅速發(fā)展，生物傳感技術(shù)也隨之發(fā)展起來。數(shù)據(jù)顯示，2005年，全球生物傳感器營(yíng)業(yè)額僅29億美元；2009年，總銷售額突破40億美元，保持9%以上的增長(zhǎng)率；2012年，其市場(chǎng)規(guī)模達(dá)85億美元；預(yù)計(jì)到2018年將增至168億美元。

生物傳感技術(shù)指由生物成分為敏感元件，以分子識(shí)別功能檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的某種物化變化，并將生物材料持續(xù)且規(guī)律的信息以光學(xué)、電化學(xué)、電磁學(xué)等方式展示出來，是發(fā)展生物技術(shù)的一種必不可少的先進(jìn)的檢測(cè)、監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法，在臨床診斷、環(huán)境保護(hù)、藥品研發(fā)、食品檢測(cè)等研究中發(fā)展迅速[1]，已成為當(dāng)今生命科學(xué)和信息科學(xué)研究的一個(gè)重大課題。

1 簡(jiǎn)介

生物傳感器是由識(shí)別元件、適當(dāng)?shù)奈锘瘬Q能器（如氧電極、場(chǎng)效應(yīng)管、光敏管、壓電晶體等）、信號(hào)放大裝置構(gòu)成的具有接受和轉(zhuǎn)換功能的分析儀器。其中，生物敏感材料作為識(shí)別元件，包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)。

識(shí)別元件是生物傳感器選擇性測(cè)定的基礎(chǔ)，它與待測(cè)物質(zhì)特異性結(jié)合后，隨之發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)。在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)，選擇適合于測(cè)定對(duì)象的識(shí)別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。換能器是將識(shí)別元件產(chǎn)生的信息經(jīng)相應(yīng)的物化轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可定量測(cè)量的光電信號(hào)，它是根據(jù)分子識(shí)別功能物質(zhì)制備出的敏感元件所引起的物化變化來選擇的。信號(hào)處理器又將換能器所產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，然后在電腦屏幕上輸出顯示，因檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與分析物的含量或濃度存在一定的線性關(guān)系，所以通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，可達(dá)到分析檢測(cè)的目的。

生物傳感器發(fā)展迅猛，優(yōu)點(diǎn)顯著：分析的準(zhǔn)確度很高，相對(duì)誤差一般只有1%左右；分析速度快，通?？梢栽? min內(nèi)獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果；專一性強(qiáng)，而且不受顏色、濁度的影響，樣品一般不需要特殊的預(yù)處理；采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以循環(huán)使用；操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；成本低廉。

2 生物傳感用于疾病診斷的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1967年，S.J.烏普迪克等研制出了第一個(gè)生物傳感器—葡萄糖傳感器。把葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中，固化后，將膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便制成了葡萄糖傳感器。改用其他的酶或微生物等固化膜，可制得檢測(cè)其對(duì)應(yīng)物的其他傳感器?，F(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器（免疫、細(xì)胞器傳感器等），并研制和開發(fā)第三代生物傳感器：將電子和系統(tǒng)生物技術(shù)結(jié)合的場(chǎng)效應(yīng)生物傳感器。生物傳感器的迅速發(fā)展，為重大疾病的早期診斷提供了新的研究方向。

2.1 SERS生物傳感器

SERS生物傳感器主要用于癌癥的早期診斷。作為一種分子光譜技術(shù)，SERS生物傳感器不僅可以提供細(xì)胞和生物組織的指紋光譜信息，還可以免除復(fù)雜樣品的前處理與標(biāo)記，避免引起樣品的損傷。

新型SERS技術(shù)主要是研究癌細(xì)胞及生物組織切片，包括藥物作用機(jī)理分析、疾病診斷、治療等，研究腫瘤細(xì)胞在藥物作用下的核內(nèi)結(jié)構(gòu)變化、生物組織切片的光譜用于癌癥分型等，為SERS技術(shù)用于癌癥早期診斷和腫瘤藥物藥理研究方面提供了科研基礎(chǔ)。El-Sayed課題組[2]結(jié)合暗場(chǎng)成像與熒光成像，利用SERS光譜研究了單細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化，表明SERS光譜在癌細(xì)胞領(lǐng)域的研究以及藥物對(duì)疾病的治療研究均具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。付翠翠等[3]通過暗場(chǎng)和熒光成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)核定位探針和藥物進(jìn)入細(xì)胞核進(jìn)行定位，進(jìn)行拉曼檢測(cè)，探究抗癌藥物對(duì)癌細(xì)胞核的刺激作用。

隨著SERS技術(shù)的發(fā)展，SERS基底的普遍適用性以及SERS檢測(cè)的可重復(fù)性一直是目前SERS技術(shù)難以全面應(yīng)用的限制因素[4]。如何突破，研發(fā)適用性更強(qiáng)、可重復(fù)性更好的SERS生物傳感器，從而對(duì)癌癥疾病更早期地診斷、治療，是我們現(xiàn)在面臨的巨大挑戰(zhàn)。

2.2 納米生物傳感器

納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù)，納米技術(shù)引入生物傳感器后，提高了生物傳感器的靈敏度和其他性能。納米技術(shù)主要是針對(duì)尺度為1～100 nm的分子世界的一門技術(shù)，使得生物傳感器的各種性能得到大幅度的提高。近年來，隨著各種納米材料的不斷涌現(xiàn)和納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，納米生物傳感器在疾病診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出日益廣泛的應(yīng)用。

前列腺癌標(biāo)志物在前列腺癌普查、診斷、判斷預(yù)后和轉(zhuǎn)歸、評(píng)價(jià)治療療效和高危人群隨訪觀察等方面都具有重大的實(shí)用價(jià)值。納米生物傳感器的快速發(fā)展，使其成為前列腺癌標(biāo)志物檢測(cè)的有效手段之一，對(duì)于前列腺癌早期診斷技術(shù)的發(fā)展有著極大的促進(jìn)作用。

根據(jù)納米材料在納米生物傳感器中所起的作用不同，可將前列腺癌標(biāo)志物檢測(cè)的納米傳感模式分為納米生物探針設(shè)計(jì)和納米界面信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。趙彬等[5]首先讓目標(biāo)蛋白分子被磁微粒探針上的單克隆抗體捕獲，隨后被納米金探針上的多克隆抗體特異性識(shí)別，之后，復(fù)合物經(jīng)磁場(chǎng)分離，富集的納米金探針經(jīng)熱變性釋放出大量條形碼DNA，最后對(duì)條形碼DNA進(jìn)行檢測(cè)。

唐麗娜[6]將納米技術(shù)與傳統(tǒng)針灸技術(shù)相結(jié)合，制備出了具有納米材料功能的針灸傳感針。這種納米傳感針選擇性好、靈敏度高、修飾層穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH以及DA的檢測(cè)。因此，以納米傳感針探究中藥療效、中藥治病機(jī)理、針灸治病機(jī)制是可行的，這種方法可以成為搭建中、西醫(yī)的橋梁，促進(jìn)中西醫(yī)的共同發(fā)展。

構(gòu)建新型的納米生物傳感器對(duì)臨床樣本進(jìn)行直接高效的檢測(cè)成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。此外，需要加強(qiáng)對(duì)納米生物傳感技術(shù)的應(yīng)用研究，使其早日成為能真正運(yùn)用于醫(yī)療實(shí)踐的成熟技術(shù)。

2.3 電容生物傳感器

可靠、快速診斷的需要與安全、有效的治療密切相關(guān)。黑熱病，尤其是由利什曼原蟲感染傳播引起的寄生蟲病，是發(fā)展中國(guó)家面臨的公共衛(wèi)生感染的重要問題。

Angelo等用含有特定的利什曼原蟲和克氏錐蟲抗原的納米結(jié)構(gòu)膜制成的低成本生物傳感器系統(tǒng)，檢測(cè)出錐蟲病和黑熱病陽(yáng)性之間的區(qū)別，這是對(duì)利什曼原蟲感染病的一種快速的診治方法。通過阻抗測(cè)量，將電極以幾種不同的濃度浸入抗體溶液中，并且在施加的AC信號(hào)下，記錄電極的電容變化頻率所得的函數(shù)。

利用電容生物傳感器可以對(duì)某些感染病進(jìn)行很好的診治，上面提到的方法是通用的，可以擴(kuò)展到細(xì)菌、原蟲感染性疾病等的診斷，包括肺結(jié)核、瘧疾等。

2.4 無(wú)細(xì)胞生物傳感器

無(wú)細(xì)胞生物傳感器是檢測(cè)傳染病臨床相關(guān)生物標(biāo)志物的新工具，具有很好的應(yīng)用前景。囊性纖維化是一種常染色體隱性遺傳病，它是在肺上積聚一層較厚的粘液分泌物，從而導(dǎo)致眾多呼吸道感染病的發(fā)生，造成嚴(yán)重的難呼吸、肺功能下降等問題。

Ke報(bào)告說，在無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)表達(dá)系統(tǒng)中的模塊化DNA編碼的生物傳感器可用于測(cè)量人痰樣品中銅綠假單胞菌感染的細(xì)菌生物標(biāo)志物。通過優(yōu)化無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)和樣品提取，證明可以使用LasRV無(wú)細(xì)胞生物傳感器系統(tǒng)的納摩爾量級(jí)定量測(cè)量來自囊性纖維化肺的痰樣品中的群體感應(yīng)分子3O-C12-HSL，并且與相同樣品的LC-MS測(cè)量相當(dāng)。

2.5 DNA生物傳感器

DNA生物傳感器是一種能將目標(biāo)DNA轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的電信號(hào)的傳感裝置。首先在換能器上固化一條單鏈的DNA，經(jīng)過DNA分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)序列的DNA進(jìn)行識(shí)別，構(gòu)成穩(wěn)定的雙鏈DNA，通過光、聲、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測(cè)。

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，惡性腫瘤的發(fā)病率和死亡率隨之增加。陳梅等研究構(gòu)建了一系列在腫瘤早期診斷中具有重要應(yīng)用前景的高靈敏電化學(xué)DNA生物傳感器，檢測(cè)結(jié)果表明該方法速度更快、靈敏度更高，具有良好的檢測(cè)識(shí)別能力，抗干擾性較好。

除以上介紹的生物傳感器外，還有一些用于重大疾病診治的生物傳感器。Tran等最近開發(fā)了一種檢測(cè)腫瘤細(xì)胞的FET生物傳感器。Zhang等最近報(bào)道了一個(gè)固定介電涂層抗體的多路傳感器，在生物標(biāo)志物的急性心肌梗塞治療方面有顯著提高。

3 結(jié)語(yǔ)

我們簡(jiǎn)單介紹了用于疾病診斷的生物傳感器，包括SERS生物傳感器、納米生物傳感器、電容生物傳感器、無(wú)細(xì)胞生物傳感器、DNA生物傳感器等。雖然這些傳感器比起傳統(tǒng)的治療方法，有靈敏度有所提高、檢測(cè)時(shí)間很短、針對(duì)性很強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但仍有許多需要不斷完善的地方，這也是現(xiàn)在許多科學(xué)家正在努力研究的重點(diǎn)。

某些生物傳感器的實(shí)用性不強(qiáng)，不具普遍性；生物傳感器向小型化發(fā)展；計(jì)算機(jī)具有儲(chǔ)存、記憶、計(jì)算快等優(yōu)點(diǎn)，如果能將傳感器與建模相結(jié)合，就能減少不必要的計(jì)算能力，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和減少高通量篩選時(shí)間的目的。

隨著生物科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等的發(fā)展與進(jìn)步，更好的生物傳感器必將被科學(xué)家們研究出來，現(xiàn)今人類所面臨的各大疾?。ㄈ绨┌Y、艾滋病等），在不久的將來，定會(huì)得到全面的治療。

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