生物传感与重大疾病研究

冷 雪

近年来，随着化学、物理学、生物学、信息科学等的迅速发展，生物传感技术也随之发展起来。数据显示，2005年，全球生物传感器营业额仅29亿美元；2009年，总销售额突破40亿美元，保持9%以上的增长率；2012年，其市场规模达85亿美元；预计到2018年将增至168亿美元。

生物传感技术指由生物成分为敏感元件，以分子识别功能检测被测目标的某种物化变化，并将生物材料持续且规律的信息以光学、电化学、电磁学等方式展示出来，是发展生物技术的一种必不可少的先进的检测、监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法，在临床诊断、环境保护、药品研发、食品检测等研究中发展迅速[1]，已成为当今生命科学和信息科学研究的一个重大课题。

1 简介

生物传感器是由识别元件、适当的物化换能器（如氧电极、场效应管、光敏管、压电晶体等）、信号放大装置构成的具有接受和转换功能的分析仪器。其中，生物敏感材料作为识别元件，包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质。

识别元件是生物传感器选择性测定的基础，它与待测物质特异性结合后，随之发生生物化学反应。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。换能器是将识别元件产生的信息经相应的物化转换器转换为可定量测量的光电信号，它是根据分子识别功能物质制备出的敏感元件所引起的物化变化来选择的。信号处理器又将换能器所产生的信号转换为电子信号，然后在电脑屏幕上输出显示，因检测到的数据与分析物的含量或浓度存在一定的线性关系，所以通过对数据的分析处理，可达到分析检测的目的。

生物传感器发展迅猛，优点显著：分析的准确度很高，相对误差一般只有1%左右；分析速度快，通常可以在1 min内获得准确的分析结果；专一性强，而且不受颜色、浊度的影响，样品一般不需要特殊的预处理；采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以循环使用；操作系统简单，易实现自动化；成本低廉。

2 生物传感用于疾病诊断的国内外发展现状

1967年，S.J.乌普迪克等研制出了第一个生物传感器—葡萄糖传感器。把葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中，固化后，将胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。改用其他的酶或微生物等固化膜，可制得检测其对应物的其他传感器。现已发展了第二代生物传感器（免疫、细胞器传感器等），并研制和开发第三代生物传感器：将电子和系统生物技术结合的场效应生物传感器。生物传感器的迅速发展，为重大疾病的早期诊断提供了新的研究方向。

2.1 SERS生物传感器

SERS生物传感器主要用于癌症的早期诊断。作为一种分子光谱技术，SERS生物传感器不仅可以提供细胞和生物组织的指纹光谱信息，还可以免除复杂样品的前处理与标记，避免引起样品的损伤。

新型SERS技术主要是研究癌细胞及生物组织切片，包括药物作用机理分析、疾病诊断、治疗等，研究肿瘤细胞在药物作用下的核内结构变化、生物组织切片的光谱用于癌症分型等，为SERS技术用于癌症早期诊断和肿瘤药物药理研究方面提供了科研基础。El-Sayed课题组[2]结合暗场成像与荧光成像，利用SERS光谱研究了单细胞的动态变化，表明SERS光谱在癌细胞领域的研究以及药物对疾病的治疗研究均具有潜在的应用价值。付翠翠等[3]通过暗场和荧光成像，实现对核定位探针和药物进入细胞核进行定位，进行拉曼检测，探究抗癌药物对癌细胞核的刺激作用。

随着SERS技术的发展，SERS基底的普遍适用性以及SERS检测的可重复性一直是目前SERS技术难以全面应用的限制因素[4]。如何突破，研发适用性更强、可重复性更好的SERS生物传感器，从而对癌症疾病更早期地诊断、治疗，是我们现在面临的巨大挑战。

2.2 纳米生物传感器

纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，纳米技术引入生物传感器后，提高了生物传感器的灵敏度和其他性能。纳米技术主要是针对尺度为1～100 nm的分子世界的一门技术，使得生物传感器的各种性能得到大幅度的提高。近年来，随着各种纳米材料的不断涌现和纳米技术的蓬勃发展，纳米生物传感器在疾病诊断领域展现出日益广泛的应用。

前列腺癌标志物在前列腺癌普查、诊断、判断预后和转归、评价治疗疗效和高危人群随访观察等方面都具有重大的实用价值。纳米生物传感器的快速发展，使其成为前列腺癌标志物检测的有效手段之一，对于前列腺癌早期诊断技术的发展有着极大的促进作用。

根据纳米材料在纳米生物传感器中所起的作用不同，可将前列腺癌标志物检测的纳米传感模式分为纳米生物探针设计和纳米界面信号转导。赵彬等[5]首先让目标蛋白分子被磁微粒探针上的单克隆抗体捕获，随后被纳米金探针上的多克隆抗体特异性识别，之后，复合物经磁场分离，富集的纳米金探针经热变性释放出大量条形码DNA，最后对条形码DNA进行检测。

唐丽娜[6]将纳米技术与传统针灸技术相结合，制备出了具有纳米材料功能的针灸传感针。这种纳米传感针选择性好、灵敏度高、修饰层稳定，实现了对pH以及DA的检测。因此，以纳米传感针探究中药疗效、中药治病机理、针灸治病机制是可行的，这种方法可以成为搭建中、西医的桥梁，促进中西医的共同发展。

构建新型的纳米生物传感器对临床样本进行直接高效的检测成为研究的热点和重点。此外，需要加强对纳米生物传感技术的应用研究，使其早日成为能真正运用于医疗实践的成熟技术。

2.3 电容生物传感器

可靠、快速诊断的需要与安全、有效的治疗密切相关。黑热病，尤其是由利什曼原虫感染传播引起的寄生虫病，是发展中国家面临的公共卫生感染的重要问题。

Angelo等用含有特定的利什曼原虫和克氏锥虫抗原的纳米结构膜制成的低成本生物传感器系统，检测出锥虫病和黑热病阳性之间的区别，这是对利什曼原虫感染病的一种快速的诊治方法。通过阻抗测量，将电极以几种不同的浓度浸入抗体溶液中，并且在施加的AC信号下，记录电极的电容变化频率所得的函数。

利用电容生物传感器可以对某些感染病进行很好的诊治，上面提到的方法是通用的，可以扩展到细菌、原虫感染性疾病等的诊断，包括肺结核、疟疾等。

2.4 无细胞生物传感器

无细胞生物传感器是检测传染病临床相关生物标志物的新工具，具有很好的应用前景。囊性纤维化是一种常染色体隐性遗传病，它是在肺上积聚一层较厚的粘液分泌物，从而导致众多呼吸道感染病的发生，造成严重的难呼吸、肺功能下降等问题。

Ke报告说，在无细胞蛋白质表达系统中的模块化DNA编码的生物传感器可用于测量人痰样品中铜绿假单胞菌感染的细菌生物标志物。通过优化无细胞系统和样品提取，证明可以使用LasRV无细胞生物传感器系统的纳摩尔量级定量测量来自囊性纤维化肺的痰样品中的群体感应分子3O-C12-HSL，并且与相同样品的LC-MS测量相当。

2.5 DNA生物传感器

DNA生物传感器是一种能将目标DNA转变为可检测的电信号的传感装置。首先在换能器上固化一条单链的DNA，经过DNA分子杂交，对另一条含有互补序列的DNA进行识别，构成稳定的双链DNA，通过光、声、电信号的转换，对目标DNA进行检测。

随着工业的不断发展，环境污染日益严重，恶性肿瘤的发病率和死亡率随之增加。陈梅等研究构建了一系列在肿瘤早期诊断中具有重要应用前景的高灵敏电化学DNA生物传感器，检测结果表明该方法速度更快、灵敏度更高，具有良好的检测识别能力，抗干扰性较好。

除以上介绍的生物传感器外，还有一些用于重大疾病诊治的生物传感器。Tran等最近开发了一种检测肿瘤细胞的FET生物传感器。Zhang等最近报道了一个固定介电涂层抗体的多路传感器，在生物标志物的急性心肌梗塞治疗方面有显著提高。

3 结语

我们简单介绍了用于疾病诊断的生物传感器，包括SERS生物传感器、纳米生物传感器、电容生物传感器、无细胞生物传感器、DNA生物传感器等。虽然这些传感器比起传统的治疗方法，有灵敏度有所提高、检测时间很短、针对性很强等优点，但仍有许多需要不断完善的地方，这也是现在许多科学家正在努力研究的重点。

某些生物传感器的实用性不强，不具普遍性；生物传感器向小型化发展；计算机具有储存、记忆、计算快等优点，如果能将传感器与建模相结合，就能减少不必要的计算能力，达到实时监测和减少高通量筛选时间的目的。

随着生物科学、物理学、化学、计算机科学等的发展与进步，更好的生物传感器必将被科学家们研究出来，现今人类所面临的各大疾病（如癌症、艾滋病等），在不久的将来，定会得到全面的治疗。

[参考文献]

[1] 孔祥娟.基于滚环DNA扩增和纳米材料的生物传感分析方法研究[D].长沙：湖南大学，2016.

[2] KANG B，AUSTIN L A，EL-SAYED M A.Observing realtime molecular event dynamics of apoptosis in living cancer cells using nuclear-targeted plasmonically enhanced Raman nanoprobes[J].ACS Nano, 2014，8（5）：4883-4892.

[3] 付翠翠，梁丽佳，齐国华，等.SERS生物传感技术及其应用进展[J].高等学校化学学报，2015，36（11）：2134-2147.

[4] ANEMA J R，LI J F，YANG Z L，et al.Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy: expanding the versatility of surface-enhanced Raman scattering[J].Annual Review of Analytical Chemistry，2011，4（1）：129.

[5] 赵 彬，黎振华，宋世平，等.纳米生物传感器在前列腺癌早期检测中的应用[J].中国肿瘤临床，2014，41（1）：46-50.

[6] 唐丽娜.纳米传感针的研制及其对生物活性分子和中药调控一氧化氮释放监测的研究[D].武汉：湖北中医药大学，2017.