医学领域中的新型生物传感器

前沿技术

医学领域中的新型生物传感器

曾　辉,任力锋,刘昭前

(中南大学湘雅医学院,长沙410078)

摘　要:生物传感器作为一项新技术已广泛地应用于人体生化指标和各种病原体的检测、糖尿病和缺血—再灌注损伤病人的监测以及空间生命科学的在线监视等医学领域,它以准确、灵敏、高效、快速、设备简便和成本低等优点,逐渐成为近年来医学诊断监测技术的热点之一。对近年来国内外应用中医学领域中的新型生物传感器进行综述。

关键词:生物传感器;蛋白质;Rac核苷酸;病原体;糖尿病;心肌缺血

中图分类号:R318.04 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2002)10-0059-03

N ew type of biosensors in medical f ield

ZEN G Hui,REN Li2feng,L IU Zhao2qian

(Xiangya Medical College,C entral2South U niversity,Changsha410078,China)

Abstract:Biosensor,as a new technology,has been widely applied in many medical fields,such as monitoring to biochemistry index of human body and to various kinds of pathogens,monitoring to the patient who suffers from diabetes or myocardial ischemia,and on2line monitoring to space life science,etc.It has the advantages of high ac2 curacy,high sensitivity,high efficiency,high velocity,uncomplicated facility and low cost.And gradually in recent years,it is going to be one hot s pot in medical diagnose and monitoring technology.The new biosensors applied in medical territory domestic or overseas recent2year are discussed.

K ey w ords:biosensor;protein;Rac nucleic acids;pathogen;diabetes;myocardial ischemia

0　前　言

20世纪80年代中期生物传感器在临床检验等医学领域中的应用取得了相当不错的效果。但因受计算机技术、生物材料及制造工艺的限制,严重地阻碍了它取得突破性的进展。近年来随着微电子技术与生物技术的飞速发展,为生物传感器的改进和推广提供了一个巨大的契机。“没有传感器技术,就没有现代医学技术”的观点已为全世界所公认。

1　人体生化指标的测定

1.1　蛋白质的检测

Liviu等人[1]用新型传感器在纳米微臼颗粒聚集时对溶解蛋白质进行了检测。他们将3.4kD聚乙烯乙二醇链系在由葡萄球菌溶血素形成的横跨膜蛋白孔腔中。聚合体的自由端被固定在维生素分子上,并与修饰小孔相结合成脂质双分子层,生物素基从膜的一端运动到另一端,以可逆性俘获形式被突变的抗生蛋白链菌素探测到,而俘获的过程可通过

收稿日期:2002-05-13

单孔平坦双分子膜的离子电流的变化而测得。因此,被修饰的小孔能使蛋白质分析元素的探测精确到分子水平,并通过电信号使得量化和鉴定变得方便。

1.2　三磷酸肌醇的测定

三磷酸肌醇(IP3)是人体内细胞间信息传导途径中一个重要的第二信使,它调节着包括细胞内钙离子聚集在内的许多细胞生理功能。许多与钙离子相似的小离子的聚集过程能被荧光光纤传感器所探测到,但是IP3必须用高性能的液体套色板方法才能测定。Phil[2]报道了直接置入体内的IP3生物传感器与大鼠磷脂酶PLCD(pleekstrin Cd)的异族同形结合的领域的进展。他们将三种氨基酸(Arg56, Val58,Asn106)转变成半胱氨酸,然后用四电抗硫醇作标记,一些被标记的半胱氨酸的p H值在荧光反应中对IP3的微齿溶液出现很大的变化,并比对别的肌糖显示出更大的选择性,从而可直接测出体内IP3的量。

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　2002年第21卷第10期 传感器技术(Journal of Transducer Technology)

2　基因检测

生物芯片技术是微电子技术与生物工程技术完美结合的产物,它能在短时间内对细胞、蛋白质、基因及其它与生命过程相关的物质进行大信息量检测,其效率是传统检测手段的千百倍。目前,生物芯片技术应用领域主要有基因测序及分析、新基因发现与鉴定、疾病诊断和预测、药物筛选等。

2.1　Rac核苷酸的检测

Vadim等人[3]将被荧光标记的生物传感器和包含Rac与绿色荧光蛋白(GFP)的溶解蛋白质一起介入细胞中来检测Rac核苷酸。它的探头被经GFP 修饰过的接受器染料Alexa546所标记。因为这种传感器的生物膜来源于p212活性激酶(P KA1,一种特殊的GFP2Rac靶蛋白),因此它只有在Rac处于激活状态时才被捆绑到GFP2Rac上,产生反映Rac 活性的大小和局部FRET信号。而p212激酶捆绑领域(PBD)又不含有天然的半胱氨酸,所以半胱氨酸能被引入到它的N H22端并被半胱氨酸选择性的碘乙酰胺染料Alexa546所标记。在FRET起作用且假定荧光团随机旋转的基础上,PBD的N H22端Alexa染色部位与GFP的荧光部位之间的距离被算出为52nm。当表达GFP2Rac的细胞被注入到生物传感器时,在激活的三磷酸鸟苷(GTP)范围中, GFP2Rac的改变部位和GFP2Rac分子的分组数量都能同时被检测出来。FRET能够改变其激活水平的高低,它与在捆的GTP数量是成比例的。

2.2　基因突变和损伤的检测

1997年Wang等人[4]直接用固定dsDNA微型电化学传感器来检测基因突变,基于DNA中鸟嘌呤的氧化信号变化探讨了紫外光辐射引起的DNA 损伤,包括DNA的构象变化及鸟嘌呤的光致化学反应。国内孙星炎等人利用DNA电化学传感器在紫外光照射、亚硝酸的作用下能否杂交及杂交程度上的差异来检测DNA结构上的变异,并初步探讨了上述两种因素引起DNA损伤的程度和可能的突变机理。目前基因检测在疾病诊断方面应用的原理一般是用固定不动的抗原或抗体来探察和它们捆绑在一起的分子聚集时的生物流动性。而DNA生物传感器的微排列是由数千被合成的或被克隆的能在样品中被察觉的连续互补DNA序列组成,这样临床医生能通过传感器的检测迅速找出哪种组织患病和是否带有耐药性的因子,为特殊疾病的快速诊断提供了可能[5]。3　病原体的检测

3.1　细菌病原体的检测

众所周知,细菌的快速鉴别是医学上的一个难题,特别是对可培养的细菌病原体的分类是一个重要的疾病诊断依据。Ertl等人[6]研究了电化学生物传感器的结构,发现它的换能是建立在呼吸循环的基础上,在其过程中微生物的天然呼吸链被外侵的非天然氧化剂所破坏。选择性的生化识别物质—外源凝集素被固定捆绑在细胞表面的脂多糖上,带有不同表面活性物质的多孔膜被证明是这些外源凝集素的潜在固定支持。他们用伴刀豆球蛋白A和E 大肠菌J M105成功地证明这种应用激活膜的手段明显地缩短了在膜表面创造功能性外源凝集素层所需的时间。并发现这种粘集实验的结果与外源凝集素细胞捆绑的生化估价大体上一致。因此当这种以外源凝集素为基础的生物传感器被暴露于带有革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的活细胞中,就可以建立不同生物对不同血凝素的反应模式。这种快速对细菌病原体进行分类检测的方法与现用实验室检测方法相比无疑更具生命力和准确性,它将为临床医生快速查找病因,正确做出诊断提供强有力的武器。3.2　病毒病原体的检测

生物电识别化验(bioelectric recognition assay, B ERA)是一种新型的病毒检测方法,它以细胞群独特的联合为基础,而且这种联合的固定是在细胞质间进行的。它既保护了细胞的生理机能,又能反映细胞与病毒之间的相互作用关系。B ERA是由具有导电性的包含有凝胶体矩阵的细胞的管型探测器构成,特定的细胞在监测下选择性的与病毒相互作用。在这种情况下,当一种带正电荷的样品被加入到探测器上,在病毒与矩阵接触将会出现标志性的电压改变信号。在目前的研究中,B ERA被证明可用于检测人体内病毒(C型肝炎病毒)和植物病毒(烟草病毒),非常灵敏迅速(1～2min),并且可反复使用。

B ERA的敏感度(0.1ng)与先进的免疫学,细胞学和分子工艺相比更优越。比如可以用它来观察复制相反的聚合酶连锁反应的过程[7]。

4　疾病诊断与监测

根据乌克兰国立科学院生物化学分会的最新调查资料显示:多免疫,多酶合并多参数传感器在实验室或野外条件下均能对多种疾病提供快速的分析。如糖尿病,肾病,免疫缺陷病,过敏性疾病,心肌梗死和肿瘤前期的免疫化学诊断[8]。

06 传感器技术 第21卷