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“微流控+智能手机血糖仪” 打造非血糖分子检测平台,量化评估DNA过氧化损伤

来源:麦姆斯咨询 2019-09-16 09:20

 

美国佛罗里达国际大学生物医学工程系纳米生物工程和生物电子实验室的朱雪娜博士和李晨钟教授最近开发了一种以智能手机连用的葡萄糖传感器为检测平台的便携式传感器成功地实现了对DNA过氧化损伤标志物的量化测量,为量化评估雾霾污染对人体的DNA过氧化损伤提供了一个有效地及时地分析手段。

现代医学检测虽然已经取得了标志性的发展,但是很多常规检测还是在医院里完成。病人需要去医院提供样品,通过一定时间的等待(几个小时或者几天不等),才能拿到检验报告。现代健康管理工业正逐步从定期检测向个人持续健康检测转换以便第一时间来预防和检测相关疾病。为了实现这一转变,工程人员,科学研究人员以及药学研究人员都致力于发展经济快速,能实现即时即地检测而不需要专业人员协助的即时检测仪器,即point of care testing(POCT)。智能手机可实现成像、定位、信号处理及数据传输等功能,将其作为一个平台与各种传感器技术结合用于个人或公共卫生监测等领域的即时检测(POCT)是目前的发展趋势。在POCT技术这几十年发展过程中,比较成熟的具有代表性的技术主要包括免疫验孕试纸盒和便携式血糖仪,这两种技术也最具有跟智能手机系统中的光电器件结合在一起使用的可能性。然而,免疫试纸盒为基础的检测通常被认为是定性测量的工具,其只能提供“是”或“否”的答案,并不能精确的进行定量测定。另一方面,基于电化学测量的Clark型血糖仪自1965年Dr. Clerk发明以来,已被数千百万糖尿病患者用于每天监测其血糖水平。为了更好的利用这项已经完善建立起来的医学检测技术,来自美国佛罗里达国际大学生物医学工程系的朱雪娜博士和李晨钟教授跟陕西师范大学的张成孝教授共同研究开发了一个通用的检测平台。这个平台可以把广泛应用的葡萄糖电化学检测和免疫试纸检测整合在一起,能把任何非葡萄糖检测物定量转换成葡萄糖,然后用便携式血糖仪检测。

大量研究证据表明重金属、尾气颗粒还有雾霾等环境污染引起的过氧化应激损伤和基因突变可对皮肤、肺、肝脏、心肌等组织器官造成损伤。尿液中的8-OHdG就是体内在自由基攻击 DNA 或游离核甘酸中的 deoxyguanosine后经由生物体内之修补酵素修复后的代谢废物,并从细胞内排出进一步进入人体循环系统并随尿排出体外。尿液中8-OHdG作为DNA过氧化损伤生物标记物已经被广泛应用于调查人居和 工作环境对健康的影响和职业病临床探索。

李晨钟教授的团队利用免疫和纳米酶催化反应结合的检测机理,结合该研究室丰富的微机电(MEMS)芯片的开发经验和世界一流的微纳芯片加工的设施,精巧地设计开发出一种以传统的血糖仪为检测平台并和智能手机可以连用的智能检测传感器,实现了对非葡萄糖分子的生物标记物例如8-OHdG的定量和定性的快速检测。这种微流控纸芯片传感器结合了微流控技术、纳米技术、热蜡打印技术,生化技术,将样品采集,过滤,免疫检测,酶促转化,电化学分析,手机信号存储,放大, 和数据处理等功能精密地集成在一个小型化的生物传感器系统, 并将非葡糖糖生物标志物分子转化成葡萄糖进而可以利用技术比较成熟的智能手机葡萄糖仪实现对复杂生物样品中的DNA损伤标识物8-OHdG的高灵敏度检测。

他们分别用一个小分子8-hydroxy-2’-deoxyguanosine(8-OHdG,DNA 氧化损伤标记物)和一个大分子prostate specific antigen(PSA,前列腺特异性抗原)来测试平台的可行性。通过与商品化的酶联免疫吸附测定(ELISA) 试剂盒做比较,这个通用平台在不牺牲检测灵敏度的基础上降低检测费用,缩短检测时间,扩大浓度检测范围以及不需要复杂高级的检测仪器等各方面都表现卓越。

这种纸芯片传感器的设计主要包括四个工作区 (图1)包括点样区,免疫反应识别区,葡萄糖酶催转化区和检测区,废物吸收区。 液体样品在纸的毛细渗透力作用下的流动过程中实现了竞争型(小分子)或者三明治型(中等或者大分子)免疫反应,蔗糖和纳米酶的水解反应等过程,最后通过传统的手机血糖仪进行量化测量。

纸芯片传感器

该技术可以能达到的检测范围是0.1~100 ng·mL-1, 在检测时间45分钟内,最小能检测到的8-OHdG浓度是0.1 ng·mL-1。同时他们还测试了检测平台的稳定性,结果显示在三个星期的时间跨度,检测结果没有太大变化,说明检测平台非常稳定。经过与ELISA方法多方面的比较,在不损害灵敏度和测量范围的基础上,这个方法呈现智能化,简单,快速,即时即地,经济的优点。

除了小分子检测物例如8-OHdG外,该团队也证明了这种血糖仪结合的纸基芯片也可以对蛋白大分子生物标志物例如前列腺特异性抗原(PSA的检测。前列腺特异性抗原(PSA)作为一个代表来评估血糖仪平台检测蛋白大分子的能力。

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,改论文近期发表在《生物传感器与生物电子学》(Biosensors and Bioelectronics)杂志上。李晨钟教授现任美国国家基金委工程局生物传感学科主任,佛罗里达国际大学the Worlds Ahead 杰出教授,也是Biosensors and Bioelectronics期刊的副主编。(生物谷Bioon.com)

 


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