哈佛大学 信用:CC0公共领域 手持电化学传感器是全球数百万糖尿病患者日常生活的一部分，他们用电子血糖仪监测血糖水平
虽然这种传感器已经彻底改变了糖尿病患者的家庭医疗测试，但它们还没有成功地应用于其他疾病的诊断
像血糖仪这样的传感器根据酶的活性来检测血液中的葡萄糖，只有有限数量的酶可以用来检测人类疾病的生物标志物
已经研究了一种基于抗体和它们的分子靶标之间的结合事件的替代检测策略，以扩展电化学传感器在医学中的应用，但是这些传感器由于来自生物流体的“污垢”物质在其导电表面上的快速积累而成为受害者，这使它们失活
现有的防污涂料难以大规模生产，存在质量和一致性问题，并且不是非常有效
现在，哈佛大学怀斯生物启发工程研究所的研究人员开发了一种新的诊断平台技术，称为“eRapid”，它能够制造低成本的手持式电化学设备，只需一滴血，就能以高灵敏度和高选择性同时检测复杂生物体液中的多种生物标志物
这项技术在最新一期的《自然纳米技术》中有所描述
“只要针对特定目标分子的抗体存在，eRapid就能检测到它，”合著者帕万·乔利博士说
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怀斯研究所的高级研究科学家
“通过简单而稳健的设计来解决生物污染问题，我们现在能够以低成本轻松地大规模生产用于各种应用的生化传感器
" 开发防污涂层的挑战是防止非目标物质在传感器的金属电极上积累，同时保持它们的导电性，以便能够检测目标
在对各种配方进行实验后，研究小组开发了一种简单、多孔的三维基质，由戊二醛交联的牛血清白蛋白组成，并由导电纳米材料网络支撑，如金纳米线或碳纳米管。
牛血清白蛋白基质的小孔径排除了血液和血浆中的蛋白质，牛血清白蛋白的弱负电荷阻止了带正电荷的生物分子在传感器上的强粘附
当研究人员在人血清和血浆中测试他们的纳米材料涂层传感器时，即使在这些生物流体中储存一个月，他们仍保留了超过90%的信号检测能力，而涂有以前发表的最好的防污涂层的传感器在孵育一小时后失去了显著的信号灵敏度，一天后完全失活
为了使涂层传感器功能化，研究人员将抗体附着在电极顶部纳米材料涂层的表面，并使用“夹心法”将抗体结合事件转化为沉淀在电极表面的化学信号，从而产生电信号
电信号的大小直接与产生的沉淀物的量相关，并因此与结合到抗体上的靶分子的数量相关，从而允许测量靶的浓度
该团队通过创建一个具有三个独立电极的多路传感器展示了这种方法的商业实用性，每个电极都涂有牛血清白蛋白/金纳米线矩阵和一层针对特定临床相关目标分子(白细胞介素6 (IL6)、胰岛素或胰高血糖素)的抗体
当他们将传感器与未稀释的人血浆中各自的目标分子一起孵育时，他们观察到了灵敏度为每毫升微微克的极好的电信号
相反，涂有公开的“聚乙二醇-聚二甲基硅氧烷”防污涂层的电极不能产生明显的信号，表明它们已经被人体血浆样品中的非目标分子不可逆转地污染了
此外，涂有牛血清白蛋白/金纳米线的传感器可以清洗和重复使用多次，信号损失最小，从而可以轻松、低成本地对生物标志物进行连续监测
从那时起，Wyss团队已经能够使用eRapid检测十几个不同的生物标记，大小从100 Da到150，000 Da不等，他们正在继续用导电纳米材料进行实验，以优化电极涂层和系统的性能，并进一步降低成本
他们正在积极探索手持式现场护理诊断领域的eRapid商业化选项，但也希望将涂层和传感器技术平台扩展到其他目标和环境，包括医院内诊断、环境毒素检测、小分子检测和植入式医疗设备
有趣的是，这个团队由怀斯研究所的创始主任唐纳德·因格博领导
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——当初出发时并没有把这个目标放在心上
这项工作的开始是因为他们需要同时检测人体器官芯片内生长的各种类型的组织细胞产生的多种生物分子，以非侵入性地评估它们随时间推移的功能和炎症状态
从芯片通道流出的微小液体量使得高灵敏度的传感器成为必要，这些传感器也可以被多路复用，这导致了当前技术的产生
“eRapid是在追求一项又一项创新的过程中出现的，这些创新有可能改变医学诊断
“希望这项简单的技术将极大地提高我们开发手持式诊断设备的能力，在不久的将来，这种设备可以在家庭、药房、救护车、医生办公室和急诊科使用，”英格伯说，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学项目的犹大·福克曼血管生物学教授和哈佛大学约翰·阿的生物工程教授
保尔森工程和应用科学学院
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