快訊：微介入式生物傳感

黃新爍 黃 爽 楊 成 李湘凌 張愛華 謝 曦*

1(中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 廣州 510006)

2(光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510006)

3(廣東省顯示材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510006)

微介入式生物傳感技術(shù)利用具備獨(dú)特微納結(jié)構(gòu)的納米針或微針以高安全性穿透生物體的屏障(細(xì)胞膜與皮膚角質(zhì)層)，成功檢測(cè)到細(xì)胞內(nèi)或體內(nèi)的生物標(biāo)志物與生物物理信號(hào)。謝曦教授團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步地將微介入式生物傳感技術(shù)與先進(jìn)電路系統(tǒng)集成一體，應(yīng)用在細(xì)胞芯片、可穿戴設(shè)備以及可植入設(shè)備上，并取得了一系列研究成果[1]。

為開發(fā)面向細(xì)胞應(yīng)用的微創(chuàng)生物傳感器，使其能夠安全地穿透細(xì)胞膜，謝曦教授開發(fā)了一種新型空心納米針頭陣列的微創(chuàng)生物傳感芯片，通過在納米針陣列芯片中培養(yǎng)細(xì)胞來穿透細(xì)胞膜，結(jié)合電路系統(tǒng)提供的脈沖式電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)非破壞性穿透細(xì)胞膜。實(shí)驗(yàn)證明這種技術(shù)效率較高，能讓電穿孔盡可能地只發(fā)生在較小區(qū)域，盡量保持細(xì)胞膜的完整性，且通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)條件可以控制細(xì)胞膜的開啟和閉合。進(jìn)一步地，謝曦教授利用空心針頭成功將 DNA 質(zhì)粒等藥物分子遞送到細(xì)胞內(nèi)，并在此過程中維持了細(xì)胞的高活性，該技術(shù)解決了病毒及一些化學(xué)藥物遞送過程中對(duì)藥物分子類型和細(xì)胞類型的依賴[2]。除了利用電穿孔進(jìn)行藥物遞送，謝曦教授團(tuán)隊(duì)還通過定時(shí)提取和分析細(xì)胞內(nèi)容物，實(shí)現(xiàn)了在不損害細(xì)胞活力的前提下，在完全相同的一組細(xì)胞上分析半胱氨酸蛋白酶(Caspase-3)在細(xì)胞中的動(dòng)態(tài)變化。此技術(shù)解開了傳統(tǒng)技術(shù)中細(xì)胞信息檢測(cè)只能從細(xì)胞外部空間提取或只能通過裂解等破壞方式獲得的局限[3-4]?；谏鲜龉ぷ鳎x曦教授團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞(Circulating Tumor Cell，CTC)檢測(cè)和操作的納米針平臺(tái)——利用刺狀結(jié)構(gòu)和抗體修飾功能化納米針，實(shí)現(xiàn)對(duì) CTC 的有效捕獲[5-6]。這使得在單個(gè)集成設(shè)備上原位調(diào)控和檢測(cè)捕獲的 CTC成為可能，有望推動(dòng)使用單設(shè)備對(duì)患者血液樣本中 CTC 的檢測(cè)和驗(yàn)證。

為發(fā)展面向人體應(yīng)用的微創(chuàng)生物傳感器，無痛、安全地穿透皮膚，謝曦教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于微針技術(shù)的平臺(tái)。長(zhǎng)度在 500～800 μm 的微針精細(xì)結(jié)構(gòu)可以穿透皮膚，但不會(huì)觸及真皮的神經(jīng)和血管。因而微針可以穿透皮膚，直接接觸皮下組織液，但不引起流血或?qū)е绿弁础Ａ硪环矫?，微針也可以用于檢測(cè)體內(nèi)的生物信息，作為樣品采集的來源。其中，使用高分子材質(zhì)制備的可溶性微針，在接觸組織液后會(huì)發(fā)生溶解，易于進(jìn)行藥物釋放。謝曦教授團(tuán)隊(duì)利用這一特點(diǎn)，將該技術(shù)用于神經(jīng)性疼痛、高血壓、皮下腫瘤等疾病的治療以及益生菌的釋放[7-10]。通過在金屬微針表面制造功能納米結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)微針傳感器的檢測(cè)靈敏度，謝曦教授團(tuán)隊(duì)集成了基于三電極系統(tǒng)的微針傳感器，實(shí)現(xiàn)了生物體體內(nèi)活性氧波動(dòng)的在體檢測(cè)[11]，有望推動(dòng)在對(duì)人體損害最小情況下的原位、實(shí)時(shí)記錄生理信號(hào)。而針對(duì)植入式葡萄糖電極容易引起炎癥、信號(hào)失真的問題，謝曦教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種兩性離子聚合物，用于修飾植入式葡萄糖電極的同時(shí)成功改善其生物相容性，大大減少蛋白質(zhì)的非特異性黏附，抑制了炎癥的發(fā)生[12]，提高了人工電極體內(nèi)測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

未來微創(chuàng)生物傳感技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)極大地推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)研究和疾病治療的發(fā)展。