基于血糖儀作為檢測器的POCT系統(tǒng)研究進(jìn)展

周津，羅格蓮，王代芳

（福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350007）

為了發(fā)展目標(biāo)多樣性的快速、原位和高性價比的檢測方法，研究人員一直在探索POCT的發(fā)展和應(yīng)用[1-8]，并對其抱有極高的期望。但是目前，只有有限種類的POCT在市場中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。其中，最成功的例子就是血糖儀（personal glucose meter，簡稱PGM）[9-10]。產(chǎn)品化血糖儀的顯著優(yōu)點(diǎn)包括體積小、方便攜帶、檢測成本低、定量結(jié)果準(zhǔn)確且操作簡便等[11]。

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步和科學(xué)研究的不斷深入，經(jīng)過改進(jìn)的血糖儀被進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍?；诖耍偨Y(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)中血糖儀作為便攜式檢測器在POCT系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例，為拓展血糖儀的應(yīng)用范圍提供思路。

1 血糖儀概述

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與人類生活水平的顯著提高，糖尿病患者也在逐年增多。血糖儀的研發(fā)和應(yīng)用在救助和改進(jìn)糖尿病患者的生活質(zhì)量方面做出了重要的貢獻(xiàn)?？刂铺悄虿』颊叩牟∏樾枰?jīng)常監(jiān)測血糖含量，因此開發(fā)家用血糖儀自測已成一種趨勢。目前，市場上的血糖儀是為了檢測血液中葡萄糖的含量而設(shè)計，所以檢測對象僅是葡萄糖，且葡萄糖的動態(tài)檢測范圍符合人體血糖含量，即10～600 mg/dL（或0.6～33 mmol/L）[9-10]。

2 拓展血糖儀應(yīng)用范圍面臨的挑戰(zhàn)

為了適應(yīng)時代的發(fā)展和未來POCT的需求，需要發(fā)展更靈活、更敏感、可檢測物質(zhì)更豐富的便攜式傳感器。血糖儀通過測量葡萄糖氧化酶或葡萄糖脫氫酶催化的氧化還原反應(yīng)來檢測葡萄糖。由于酶具有特異的選擇性，不可能對所有的目標(biāo)物進(jìn)行催化反應(yīng)。因此，為了擴(kuò)大血糖儀的應(yīng)用范圍，將之用于其他物質(zhì)的檢測，就要設(shè)計一個最終生成產(chǎn)物是葡萄糖的目標(biāo)識別系統(tǒng)，使得測試結(jié)果能夠用血糖儀讀出以實(shí)現(xiàn)定量檢測[12]。

3 拓展血糖儀應(yīng)用范圍的研究進(jìn)展

近年來，研究人員使用血糖儀與功能化DNA或抗體相連接，實(shí)現(xiàn)了對一系列涉及到疾病診斷和環(huán)境監(jiān)測的非葡萄糖目標(biāo)物的檢測。

3.1 藥物檢測與疾病診斷領(lǐng)域

2011年，Lu課題組[13]利用DNA酶（能夠催化DNA或者是DNA酶）、適配體（能夠選擇性連接目標(biāo)物分子）以及適體酶（能夠連接DNA酶與適配體）這3種功能化DNA作為反應(yīng)物，以產(chǎn)品化血糖儀作為檢測平臺，構(gòu)建了一系列物質(zhì)的檢測方法。該方法將多種DNA固定在磁珠表面，使特異性適配體與之雜交，然后在此基礎(chǔ)上雜交一段由蔗糖轉(zhuǎn)化酶修飾的短鏈DNA。當(dāng)加入能與適配體特異性識別的特定目標(biāo)物時，修飾有蔗糖轉(zhuǎn)化酶的短鏈DNA會從磁珠表面脫落下來。利用磁鐵分離、移去磁珠復(fù)合物，向上清液中加入蔗糖溶液。因?yàn)檎崽寝D(zhuǎn)化酶修飾的DNA存在于上清液中，因此會催化蔗糖水解生成大量的葡萄糖并被血糖儀定量檢測。利用這種方法，該研究成功地檢測了毒品可卡因、重要的生物輔助因子腺苷以及與結(jié)核病相關(guān)的疾病標(biāo)志物γ-干擾素。

2012年，Lu課題組[14]又開發(fā)了一種基于三明治夾心結(jié)構(gòu)的便攜式檢測方法。這種方法先在磁珠表面固定特定序列的DNA，并將蔗糖轉(zhuǎn)化酶修飾到另一段特定序列的DNA上，當(dāng)加入可以與上述兩段DNA特異性互補(bǔ)配對的目標(biāo)DNA時，就能夠形成一種穩(wěn)定的三明治夾心結(jié)構(gòu)，從而將蔗糖轉(zhuǎn)化酶固定在磁珠表面。該方法實(shí)現(xiàn)了利用血糖儀對乙型肝炎病毒片段的檢測。基于此，他們再次設(shè)計了一種便攜式的生物傳感器。先將抗體包被到磁珠表面，將生物素分別修飾到二抗和蔗糖轉(zhuǎn)化酶上。接著，向包被有抗體的磁珠體系中加入抗原和修飾有生物素的二抗，此時能夠形成牢固的三明治夾心結(jié)構(gòu)。通過磁鐵分離與富集后，向體系中加入鏈霉親和素和修飾有生物素的蔗糖轉(zhuǎn)化酶，則形成了蔗糖轉(zhuǎn)化酶功能化的磁珠復(fù)合物，因此可以通過血糖儀實(shí)現(xiàn)對大分子蛋白質(zhì)標(biāo)記物PSA以及小分子毒素赭曲霉素A[15]的定量檢測。

2012年，Xiang課題組[16]設(shè)計了一種結(jié)合Fe3O4/Au納米粒子與血糖儀的便攜式生物傳感器用于艾滋病病毒片段的檢測。（1）將蔗糖轉(zhuǎn)化酶和與艾滋病病毒DNA片段部分互補(bǔ)配對的一段DNA修飾在Fe3O4/Au納米粒子表面；（2）將與艾滋病病毒DNA片段部分互補(bǔ)配對的另一段DNA自組裝在金電極表面；（3）向反應(yīng)體系中加入目標(biāo)物艾滋病病毒DNA片段。由于三段DNA之間發(fā)生互補(bǔ)配對，從而將修飾有蔗糖轉(zhuǎn)化酶的Fe3O4/Au納米粒子固定在金電極表面，最終達(dá)到用血糖儀定量檢測的目的。

2013年，楊朝勇課題組[17]利用血糖儀構(gòu)建了一種目標(biāo)響應(yīng)的“甜心”水凝膠來檢測一系列非葡萄糖目標(biāo)物。將兩個短鏈DNA片段A和B通過共聚作用嫁接到一個長的聚丙烯酰胺聚合物長鏈上，形成聚合物A和聚合物B。這兩個短DNA片段又可以部分與適配體片段的兩端分別互補(bǔ)配對。當(dāng)加入適配體時，DNA片段A、B與適配體互相雜交形成三明治結(jié)構(gòu)，引發(fā)聚合物A和B交叉聯(lián)合形成水凝膠，并將葡萄糖淀粉酶包裹在內(nèi)，形成“甜心”水凝膠。當(dāng)與適配體對應(yīng)的目標(biāo)物存在時，由于適配體與目標(biāo)物的親和力更大，三明治結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，導(dǎo)致“甜心”水凝膠破裂，釋放出包裹在內(nèi)的葡萄糖淀粉酶，從而催化直鏈淀粉水解生成大量葡萄糖，故可以用血糖儀來定量檢測與適配體對應(yīng)的目標(biāo)物。研究人員基于這個方法成功地檢測了三磷酸腺苷和可卡因。

基于以上研究，林振宇課題組[18-19]于2014年利用血糖儀構(gòu)建了一種基于點(diǎn)擊化學(xué)檢測組氨酸的便攜式傳感器和基于適配體檢測血小板衍生生長因子的便攜式傳感器。

3.2 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域

2013年，Xiang等人[20]提出了一種基于侵入性DNA的方法來檢測一些對蔗糖轉(zhuǎn)化酶具有毒害性的金屬離子。（1）向脫氧核酶基底結(jié)構(gòu)中加入對應(yīng)的金屬離子，致使底物鏈中一段DNA被切斷并釋放出來；（2）將特定序列的DNA固定在磁珠表面，并雜交上與之部分互補(bǔ)配對的另一段修飾有蔗糖轉(zhuǎn)化酶的DNA；（3）將步驟1中斷裂的DNA片段加入步驟2中的磁珠體系。由于斷裂的DNA片段與修飾有蔗糖轉(zhuǎn)化酶的DNA發(fā)生競爭反應(yīng)，使得原本固定在磁珠表面的蔗糖轉(zhuǎn)化酶脫落并掉入溶液中，從而實(shí)現(xiàn)對有毒金屬離子鉛和鈾離子的檢測。

2013年，Su等人[21]提出了一種基于點(diǎn)擊化學(xué)、利用磁性納米粒子作為信號放大系統(tǒng)來檢測河水中銅離子的方法。先將修飾有疊氮基的DNA利用金巰鍵固定在絲網(wǎng)印刷電極表面，再將由生物素修飾的蔗糖轉(zhuǎn)化酶和炔基功能化DNA通過鏈霉親和素與生物素的特異性親和作用包被到磁珠表面，形成多分子蔗糖轉(zhuǎn)化酶功能化的磁珠信號放大系統(tǒng)。通過加入Cu(Ⅱ)和抗壞血酸鈉發(fā)生點(diǎn)擊反應(yīng)，將功能化的磁珠修飾在電極表面。最后利用產(chǎn)品化的血糖儀對Cu(Ⅱ)進(jìn)行定量分析。

3 結(jié)語

21世紀(jì)，人們面臨一系列的環(huán)境污染、食品安全和突發(fā)疾病等問題，這些問題嚴(yán)重地影響和制約著人們的生活水平和我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。利用血糖儀作為檢測器的便攜式POCT系統(tǒng)因其操作簡單、方便攜帶、低成本、能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時檢測、易于合成和修飾、高選擇性、高靈敏度、快速檢測等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注，并在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、藥物檢測、疾病診斷和治療、基礎(chǔ)生物學(xué)研究等方面得到廣泛的應(yīng)用。