疾病检测中的先知——纳米传感器


来源:《环球科学》

[导读]  英国伦敦帝国学院和西班牙维戈大学的科学家利用直径50纳米的“小金星”研制出一种新的生物纳米传感器,与传统生物传感器相比,纳米传感器在靶分子浓度越低时,产生的信号越强,有望更早地诊断疾病。

中国粉体网讯  传统的生物传感器产生的信号与靶分子的浓度成正比,靶分子浓度较低时,传感器的灵敏度降低,变得容易被其他分子干扰。

MollyStevens和同事们研制的这种新传感器则相反,靶分子浓度越低,产生的信号越强,从而能够可靠地检测到低浓度的靶分子,其可检出的最低浓度比医院现在使用的诊断方法低好几个数量级,比目前最灵敏的检测方法也至少低10倍,有利于早期诊断疾病。以癌抗原这样的生物标志物为例,早期诊断方法是否有效,关键就在于它能否可靠地辨别浓度是还是痕量对许多疾病来说,用现有的技术寻找早期征象简直像大海捞针一样,”Stevens说,而我们的新技术还真能捞到那根针。


孵育纳米星:

研究团队用直径50纳米的小金星(纳米星)制造传感器。金表面的传导电子发生相干振荡,形成等离子体;葡萄糖氧化酶(GOx)粘附到金星表面,作为生物催化剂,将溶液里的银离子还原为银原子。当GOx浓度较低时,银原子在纳米星周围沉积,为它们裹上一层银衣,导致其表面等离子体的共振频率加快(蓝移)。而当GOx浓度较高时,银的结晶率也较高,更容易在溶液里形成独立的晶核,纳米星表面等离子体的共振频移也较不明显。向纳米星上照射可见-近红外光,一部分光将被吸收,通过检测最大吸收峰可测定共振频率。这样,只要测出加入GOx前后的共振频率,便可非常灵敏地测定GOx的浓度。

接下来的工作是用纳米传感器测定人们感兴趣的生物分子的浓度——在这项研究中,科学家的测定目标是前列腺癌的一种生物标志物,叫做前列腺特异性抗原(PSA)。为此,研究人员先用能从溶液中PSA的抗体包裹纳米金星,然后加入与GOx联结在一起的另一种抗体,后者又与纳米星表面的PSA结合;GOx还原银离子,使表面等离子体共振频移,从而被检测出来。

通过这个技术,研究人员可以检测到浓度低至10^-18g/mlPSA,这比医院里广泛使用的酶联免疫吸附法(ELISA)所能检测到的下限低十亿倍。

靶分子浓度越低,我们的传感器产生的信号越强,”Stevens说,所以,即使是超低浓度的靶分子,也可以非常可靠地检测出来。

不错的戏法

这个新技术给Quanterix公司的研究负责人DavidDuffy留下了很好的印象(Quanterix是美国波士顿的一家开发单分子蛋白检测技术的公司),它就像是一个精彩的戏法,独辟蹊径,他说,它确实把我吸引住了。

能以很高的灵敏度检测PSA的方法是非常重要的。在前列腺癌手术后,PSA不应再在体内出现,除非癌症扩散或受癌症影响的组织未完全切除。

以前,人们一直无法检测出超低水平的PSA,所以现在并不靠PSA来判断手术效果。所有患者都面临相同的风险——他们并不知道手术的长期效果是否成功,”Duffy解释道,毫无疑问,与金标准ELISA相比,这个新方法在灵敏度上向前迈了一大步。

展望未来:

英国布里斯托大学的纳米结构和电化学专家DavidFermin同样对这个新成果表示了赞赏,称之为令人瞩目的工作

Fermin建议,下一步研究应该着眼于检测的特异性,即当存在潜在的干扰物质时,极低浓度的生物标志物是否能被可靠地检测出来。研究人员在论文中只是简单地提到了这个问题,但我认为它非常重要。我想,一定能找到巧妙的化学方法,让这个技术变得特异性很高,它着实令人激动,他说。

到目前为止,研究人员只针对PSA这一种生物标志物进行了实验,但Stevens表示,我们相信,这一方法能用于早期诊断多种疾病。他们感兴趣的生物标志物还包括p24,一种与HIV感染有关的蛋白质,精确检测p24将有助于诊断尚处于萌芽阶段的HIV感染。

 


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