“微流控+智能手機血糖儀” 打造非血糖分子檢測平臺，量化評估DNA過氧化損傷
據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國佛羅里達國際大學生物醫(yī)學工程系納米生物工程和生物電子實驗室的朱雪娜博士和李晨鐘教授最近開發(fā)了一種以智能手機連用的葡萄糖傳感器為檢測平臺的便攜式傳感器成功地實現(xiàn)了對DNA過氧化損傷標志物的量化測量，為量化評估霧霾污染對人體的DNA過氧化損傷提供了一個有效地及時地分析手段。
現(xiàn)代醫(yī)學檢測雖然已經(jīng)取得了標志性的發(fā)展，但是很多常規(guī)檢測還是在醫(yī)院里完成。病人需要去醫(yī)院提供樣品，通過一定時間的等待（幾個小時或者幾天不等），才能拿到檢驗報告?，F(xiàn)代健康管理工業(yè)正逐步從定期檢測向個人持續(xù)健康檢測轉換以便第一時間來預防和檢測相關疾病。為了實現(xiàn)這一轉變，工程人員，科學研究人員以及藥學研究人員都致力于發(fā)展經(jīng)濟快速，能實現(xiàn)即時即地檢測而不需要專業(yè)人員協(xié)助的即時檢測儀器，即point of care testing（POCT）。智能手機可實現(xiàn)成像、定位、信號處理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽瑢⑵渥鳛橐粋€平臺與各種傳感器技術結合用于個人或公共衛(wèi)生監(jiān)測等領域的即時檢測（POCT）是目前的發(fā)展趨勢。在POCT技術這幾十年發(fā)展過程中，比較成熟的具有代表性的技術主要包括免疫驗孕試紙盒和便攜式血糖儀，這兩種技術也最具有跟智能手機系統(tǒng)中的光電器件結合在一起使用的可能性。然而，免疫試紙盒為基礎的檢測通常被認為是定性測量的工具，其只能提供“是”或“否”的答案，并不能精確的進行定量測定。另一方面，基于電化學測量的Clark型血糖儀自1965年Dr. Clerk發(fā)明以來，已被數(shù)千百萬糖尿病患者用于每天監(jiān)測其血糖水平。為了更好的利用這項已經(jīng)完善建立起來的醫(yī)學檢測技術，來自美國佛羅里達國際大學生物醫(yī)學工程系的朱雪娜博士和李晨鐘教授跟陜西師范大學的張成孝教授共同研究開發(fā)了一個通用的檢測平臺。這個平臺可以把廣泛應用的葡萄糖電化學檢測和免疫試紙檢測整合在一起，能把任何非葡萄糖檢測物定量轉換成葡萄糖，然后用便攜式血糖儀檢測。
大量研究證據(jù)表明重金屬、尾氣顆粒還有霧霾等環(huán)境污染引起的過氧化應激損傷和基因突變可對皮膚、肺、肝臟、心肌等組織器官造成損傷。?液中的8-OHdG就是體內在自由基攻擊 DNA 或游離核甘酸中的 deoxyguanosine后經(jīng)由生物體內之修補酵素修復后的代謝廢物，并從細胞內排出進一步進入人體循環(huán)系統(tǒng)并隨尿排出體外。尿液中8-OHdG作為DNA過氧化損傷生物標記物已經(jīng)被廣泛應用于調查人居和 工作環(huán)境對健康的影響和職業(yè)病臨床探索。
李晨鐘教授的團隊利用免疫和納米酶催化反應結合的檢測機理，結合該研究室豐富的微機電（MEMS）芯片的開發(fā)經(jīng)驗和世界一流的微納芯片加工的設施，精巧地設計開發(fā)出一種以傳統(tǒng)的血糖儀為檢測平臺并和智能手機可以連用的智能檢測傳感器，實現(xiàn)了對非葡萄糖分子的生物標記物例如8-OHdG的定量和定性的快速檢測。這種微流控紙芯片傳感器結合了微流控技術、納米技術、熱蠟打印技術，生化技術，將樣品采集，過濾，免疫檢測，酶促轉化，電化學分析，手機信號存儲，放大， 和數(shù)據(jù)處理等功能精密地集成在一個小型化的生物傳感器系統(tǒng)， 并將非葡糖糖生物標志物分子轉化成葡萄糖進而可以利用技術比較成熟的智能手機葡萄糖儀實現(xiàn)對復雜生物樣品中的DNA損傷標識物8-OHdG的高靈敏度檢測。
他們分別用一個小分子8-hydroxy-2’-deoxyguanosine（8-OHdG，DNA 氧化損傷標記物）和一個大分子prostate specific antigen（PSA，前列腺特異性抗原）來測試平臺的可行性。通過與商品化的酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA） 試劑盒做比較，這個通用平臺在不犧牲檢測靈敏度的基礎上降低檢測費用，縮短檢測時間，擴大濃度檢測范圍以及不需要復雜高級的檢測儀器等各方面都表現(xiàn)卓越。
這種紙芯片傳感器的設計主要包括四個工作區(qū) （圖1）包括點樣區(qū)，免疫反應識別區(qū)，葡萄糖酶催轉化區(qū)和檢測區(qū)，廢物吸收區(qū)。 液體樣品在紙的毛細滲透力作用下的流動過程中實現(xiàn)了競爭型（小分子）或者三明治型（中等或者大分子）免疫反應，蔗糖和納米酶的水解反應等過程，最后通過傳統(tǒng)的手機血糖儀進行量化測量。
該技術可以能達到的檢測范圍是0.1～100 ng·mL-1， 在檢測時間45分鐘內，最小能檢測到的8-OHdG濃度是0.1 ng·mL-1。同時他們還測試了檢測平臺的穩(wěn)定性，結果顯示在三個星期的時間跨度，檢測結果沒有太大變化，說明檢測平臺非常穩(wěn)定。經(jīng)過與ELISA方法多方面的比較，在不損害靈敏度和測量范圍的基礎上，這個方法呈現(xiàn)智能化，簡單，快速，即時即地，經(jīng)濟的優(yōu)點。
除了小分子檢測物例如8-OHdG外，該團隊也證明了這種血糖儀結合的紙基芯片也可以對蛋白大分子生物標志物例如前列腺特異性抗原（PSA的檢測。前列腺特異性抗原（PSA）作為一個代表來評估血糖儀平臺檢測蛋白大分子的能力。
上述研究成果在文章《Using a glucose meter to quantitatively detect disease biomarkers through a universal nanozyme integrated lateral fluidic sensing platform》中有所描述，改論文近期發(fā)表在《生物傳感器與生物電子學》(Biosensors and Bioelectronics)雜志上。李晨鐘教授現(xiàn)任美國國家基金委工程局生物傳感學科主任，佛羅里達國際大學the Worlds Ahead 杰出教授，也是Biosensors and Bioelectronics期刊的副主編。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566318309278?via%3Dihub
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