居家诊断心肌梗死:基于适体的cTnI传感技术

徐志远; 高国伟; 李延生; 廖擎纬; 胡敬芳; 张学记

doi:10.7536/PC221213

化学进展 ›› 2023, Vol. 35 ›› Issue (8) :1266-1274 DOI: 10.7536/PC221213

综述

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居家诊断心肌梗死:基于适体的cTnI传感技术

徐志远 ¹^,² ,
高国伟 ¹^,² ,
李延生 ¹^,²^,^* ,
廖擎纬 ¹^,² ,
胡敬芳 ¹^,² ,
张学记 ³

作者信息 +

Home Diagnosis of Myocardial Infarction: Aptamer-Based cTnI Sensing Technology

Zhiyuan Xu ¹^,² ,
Guowei Gao ¹^,² ,
Yansheng Li ¹^,²^,^* ,
Qingwei Liao ¹^,² ,
Jingfang Hu ¹^,² ,
Xueji Zhang ³

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摘要

心肌肌钙蛋白I(cTnI)是与急性心肌梗死(AMI)密切相关的生物标志物,被认为是诊断AMI的“金标准”。目前已有多种cTnI检测技术被开发,包括基于抗体和适体的检测方法。适体是一种能和靶标特异性结合的短的DNA或RNA序列,因其稳定性好、易合成和成本低等优点被用于cTnI检测平台的开发。本文根据信号转导方式,将cTnI检测法分为光学检测和电化学检测两大类,介绍了目前基于适体的cTnI传感技术研究进展,阐述了各类方法的检测原理、性能以及优缺点,对cTnI传感技术进行了总结并对其在居家检测中的发展进行了展望,希望为开发更灵敏、更便携的cTnI传感器提供借鉴和参考。

Abstract

Cardiac troponin I (cTnI) is a biomarker closely associated with acute myocardial infarction (AMI) and is considered as the "gold standard" for the diagnosis of AMI. A variety of cTnI detection techniques have been developed, including antibody-based and aptamer-based detection methodology. Aptamers are short DNA or RNA sequences that can specifically bind to the target, and have been used in the development of cTnI detection platforms due to their advantages of good stability, easy synthesis and low cost. In this paper, cTnI detection methods are divided into optical detection and electrochemical detection according to the signal transduction mode. This review introduces the current research progress of aptamer-based cTnI sensing technology, describes the detection principle, performance, advantages and disadvantages of various methods, summarizes cTnI sensing technology and prospects its development in home testing, hoping to provide reference for the development of more sensitive and portable cTnI sensors.

Contents

1 Introduction

2 Optical detection

2.1 Fluorescence detection method

2.2 Surface-enhanced Raman scattering

2.3 Electrochemical luminescence method

3 Electrochemical detection

3.1 Electrochemical impedance spectrum

3.2 Differential pulse voltammetry

3.3 Square wave voltammetry

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

心肌肌钙蛋白I / 适体 / 居家检测 / 电化学

Key words

cardiac troponin I / aptamer / home testing / electrochemistry

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徐志远, 高国伟, 李延生, 廖擎纬, 胡敬芳, 张学记. 居家诊断心肌梗死:基于适体的cTnI传感技术[J]. 化学进展, 2023, 35(8): 1266-1274 DOI:10.7536/PC221213

Zhiyuan Xu, Guowei Gao, Yansheng Li, Qingwei Liao, Jingfang Hu, Xueji Zhang. Home Diagnosis of Myocardial Infarction: Aptamer-Based cTnI Sensing Technology[J]. Progress in Chemistry, 2023, 35(8): 1266-1274 DOI:10.7536/PC221213

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1 引言

心血管疾病(CVD)是世界上死亡率最高的疾病之一,据世界卫生组织(WHO)估计,到2030年,每年死于CVD的人数将达到2330万,其中死于急性心肌梗死(AMI)的人数约占比85%^[1⇓~3]。心肌梗死是指由于氧气供应不足导致的心肌损伤或坏死,心肌损伤会使心肌肌钙蛋白(cTn)释放到血液中,导致血液中cTn浓度升高^[4]。心肌肌钙蛋白复合物有三个亚基组成:肌钙蛋白C(TnC)、心肌肌钙蛋白I(cTnI)和心肌肌钙蛋白T(cTnT),但只有cTnI和cTnT是心肌损伤相关性高的生物标志物^[5],其中cTnI被确定为AMI诊断的“金标准”^[6]。人血清中正常的cTnI水平小于0.4 ng/mL,如果超过这个值则表明发生AMI的风险会增加,在心肌损伤后3~4 h内,血液中的cTnI浓度会逐步升高^[7]。新冠疫情期间人们的出行受阻,公共医疗资源严重紧缺,为减少人员聚集带来的病毒感染风险,实现AMI的居家检测具有重要意义^[8,9]。通过开发快速灵敏的cTnI检测平台可以即时有效检测血液中的cTnI浓度,诊断AMI的发生,从而提前介入AMI的治疗,减少治疗时间延误,降低AMI的病死率^[10]。

目前,针对AMI的快速诊断,研究人员设计开发了多种cTnI的检测方法,包括酶联免疫吸附试验(ELISA)^[11]、表面等离子体共振(SPR)^[12]和电化学免疫测定^[13]等,其中ELISA是临床检测cTnI最常用的方法^[14],具有特异性好和灵敏度高等优点。现有方法可以实现cTnI的灵敏检测,不过,基于免疫反应原理的检测方法,是通过抗体分子作为敏感原识别cTnI,而抗体具有生产成本高、生产时间长以及易在室温或更高温度下发生不可逆变性等缺点,在稳定性和便携式设计等方面有一定的局限性^[15,16]。适体是一种能与靶标结合的具有高亲和力和强特异性的短DNA或RNA序列,其功能与抗体相似,但与抗体相比,适体具有体积小、稳定性高、易合成和成本低等优点,使其替代抗体作为识别元件成为可能,这引起了研究人员开发基于适体检测cTnI传感平台的兴趣^[17,18]。本文按照信号转导方式将近阶段内cTnI的新型检测方法分为光学和电化学两大类,综述了基于适体检测cTnI的生物传感器研究进展,总结了不同生物传感器的工作原理及性能并对未来实现居家现场检测进行了展望。

2 光学检测

光信号生物传感器是通过光场与生物识别分子的相互作用进行光学检测,分为无标记和有标记两种模式,其中无标记模式是通过分析材料和传感平台相互作用直接产生检测信号,而有标记模式则使用标记,通过荧光和发光等方式产生信号^[19]。光学检测法因其灵敏度高和检测范围广等特点被应用于cTnI的检测领域^[20]。当检测平台中有cTnI存在时,适体与cTnI结合引起反应体系中光信号发生变化,对cTnI浓度的检测就转换成对光信号大小的测量。目前已经开发了多种基于适体的光学检测方法,包括荧光法^[21]和电化学发光法^[22]等。

2.1 荧光法

荧光法是常见的光学技术之一,常用于基于适体的生化检测领域。部分待测物自身不能发出荧光,因此通常用在适体或核酸链一端修饰荧光剂的方法构建荧光探针以提供荧光信号^[23⇓~25]。检测原理之一是靶标的存在使荧光探针的荧光剂一端远离猝灭剂从而实现荧光信号的恢复,例如,Li等^[26]将荧光素修饰于cTnI适体序列的一端,设计了一种基于氧化石墨烯的新型荧光适体传感器检测cTnI,原理如图1所示。氧化石墨烯材料既能吸附适体,也能猝灭荧光信号,当带有荧光信号的cTnI适体被吸附到氧化石墨烯表面后,荧光信号猝灭。由于适体与cTnI亲和力更强,在存在cTnI时,适体离开氧化石墨烯与cTnI结合,荧光信号恢复。该方法检测限为0.07 ng/mL且在0.1~6.0 ng/mL浓度范围内有良好的线性关系,但在血清中检测cTnI时受背景信号影响较大。背景信号较大会导致实验结果不准确,会对急性心肌梗死的诊断造成误判,因此需要开发受背景信号影响小的检测方法。Wong等^[27]使用了一种DNA开启荧光的荧光染料SPM用于提供荧光信号。他们将cTnI抗体固定于二氧化硅微纳米颗粒上用于捕获cTnI,末端修饰杂交链式反应引发链的适体与cTnI结合,与其他两种类型的发夹DNA杂交开启杂交链式反应。反应生成长的线型DNA扩增单元被SPM标记产生强的荧光信号,实现了cTnI浓度信号向荧光信号的转换。此方法在人血清样品的检测中受背景信号的影响小且检测限为0.20 pg/mL,远低于健康受试者血清中的cTnI浓度范围。

荧光信号可以由荧光探针提供,在靶标存在下荧光探针的荧光剂远离猝灭剂实现荧光信号的恢复,基于这一原理,Lü等^[28]将滚环扩增(RCA)与适体结合,开发了一种基于适体的免疫-RCA结合荧光探针的方法检测cTnI。cTnI由其抗体捕获,之后与末端修饰RCA反应引物链的cTnI适体结合,在DNA聚合酶的作用下开始RCA,反应产生的DNA长链与荧光探针结合,发夹结构的荧光探针两端分开使得荧光素远离猝灭剂进而产生放大的荧光信号。该方法在实际样品的检测中表现出良好的特异性,受背景信号的影响较小,除此之外,实验结果表明该方法检测限低至7.24 pg/mL。他们开发了另一种检测策略^[29],在上述检测原理的基础上设计了新的荧光探针,以氧化石墨烯为猝灭剂,将荧光素修饰于探针一端并固定于氧化石墨烯上实现荧光信号的猝灭。由于荧光探针和RCA产生的DNA长链更亲和,因此当反应体系中存在cTnI时,荧光探针脱离氧化石墨烯与DNA长链结合,荧光信号得以恢复和放大,实现了 cTnI浓度的检测。

以上基于适体的荧光检测cTnI的方法有简单、高效和成本低等优点,可以为临床实际应用提供一定的参考。

2.2 表面增强拉曼光谱

表面增强拉曼光谱(SERS)检测的原理是将目标分析物吸附于适当粗糙的金属表面,当分子靠近粗糙金属表面时,其振动光谱强度会大幅增强,然后采用拉曼光谱仪测量拉曼散射^[30]。目前,SERS因其检测速度快以及灵敏度高等优点被广泛应用在痕量分子的检测领域^[31]。Mazali等^[32]设计了一种由中间带硅壳的磁铁矿芯与花形的银层合成的Fe₃O₄@SiO₂@Ag纳米颗粒,并将适体固定于银表面组成了检测系统。Fe₃O₄磁芯提供的磁性聚集和Ag尖端的结合诱导产生了大量热点,增强了基底的SERS响应。此检测体系有灵敏度高和检测速度快等优势,但易受其他分子干扰,仍需优化和改进检测方法才可用于实际样品的检测。Li等^[33]开发了一种基于标签的SERS检测策略。拉曼信号分子选用了马斯亮蓝G-250 (CBBG),此分子无需通过化学键修饰于蛋白质分子上,优化了修饰过程复杂和耗时的问题。该检测策略将cTnI适体固定在磁性纳米颗粒上制成磁性捕获探针,当反应体系中加入cTnI时,捕获探针将cTnI分离和富集,加入CBBG与cTnI结合提供增强的SERS信号。实验表明该策略在人血清中检测产生的微弱背景信号,检测限为5.50 pg/mL,线性检测范围在0.01~100 ng/mL,可用于人血清中cTnI的检测。Kim等提出一种在原子平坦的金纳米平台上固定适体的检测cTnI方法^[34]。他们开发了一种原子平坦的金纳米板,用于固定cTnI一级适体。在靶标存在的情况下,修饰有金纳米颗粒和拉曼染料的二级适体与靶标结合构成夹层结构,该结构可以在纳米颗粒和纳米板间的纳米隙处提供强SERS信号,将cTnI浓度信号转换成SERS信号。实验表明这一策略在血清中检测限为2.4 pg/mL,具有潜在的诊断能力。

当分析物的发色团能量接近用于激发等离激元并产生SERS的激发频率时,就会产生表面增强共振拉曼散射(SERRS)^[35],Tu等^[36]结合SERRS设计了一种在纸质流体平台上基于适体检测cTnI的方法,纸平台共设置有5个区域,检测原理如图2所示。适体功能化的SERRS活性颗粒提前存储于结合垫,样品溶液引入样品垫,加入运行缓冲液后,cTnI和SERRS活性颗粒一起流到测试线区域与其上的二级适体结合组成三明治结构,多余的SERRS活性颗粒与控制线区域的DNA链结合。cTnI浓度的增加会使测试线区域的SERRS活性颗粒增多,SERRS信号随之增大,测量测试线区域的SERRS信号即可定量cTnI浓度。SERRS可提供相当于SERS 10~100倍的信号,这使得此方法灵敏度更高,但该方法检测时间较长且检测范围较窄,仍需寻找更好的优化方案解决以上问题。

2.3 电化学发光法

电化学发光(ECL)法是一个过程,由转移过程中形成的激发态光子发射过程中在电极表面生成的高能电子产生的,是电化学和化学发光结合的新技术,其生物传感原理是通过与ECL活性物质相关的ECL发射变化检测生物识别分子与待测物相互作用,基于ECL的检测方法具有设备简单、响应时间短以及背景信号低等优点,被用于cTnI的定量检测^[37⇓~39]。近年来,半导体量子点、碳材料以及金属纳米团簇被广泛应用于ECL体系中作为发光材料^[40]。由于聚集诱导的ECL现象和基于铱的复合物的巨大ECL特性,环金属化铱 (Ⅲ)-聚乙烯吡啶聚合物(CIPNP)显示出比经典ECL发光体Ru(bpy)₃²⁺更高的强度,Amini等^[41]结合CIPNP开发了一种ECL适体传感器检测cTnI,原理如图3所示。他们使用适体修饰的金纳米颗粒、CIPNP以及氮掺杂石墨烯修饰电极,增大了ECL适体传感器的负载容量及电导率,cTnI与适体特异性结合导致适体脱离电极表面从而增强ECL信号,这一原理被用于响应信号的转换,实现了对cTnI的灵敏检测。该方法结合CIPNP等材料提高了ECL强度、传感器的导电性和负载能力,使传感器灵敏度得到较大提高。之后Jin等^[42]以CdS量子点(QDs)为ECL发光体、AuNPs为等离子体源,制备了一种夹心型ECL传感器检测cTnI。将CdS QDs固定于电极上,并通过反应在QDs表面上生成并激活羧基用于结合Tro4适体,巯基乙醇(MCH)覆盖非特异性结合位点。加入含cTnI样品溶液后,Tro4适体、AuNP修饰的Tro6适体和cTnI三者结合形成夹心型结构。发光体和金纳米粒子间的相互作用导致在激发ECL发光体之间产生共振相互作用,实现了表面等离子体增强电化学发光,完成了对cTnI的超灵敏检测。结果显示,该策略检测限低至0.75 fg/mL,线性检测范围为1 fg/mL~10 ng/mL,相较于之前的方法再次提高了灵敏度。但该方法检测时间长达数小时,不利于临床实际应用,还需优化方法以缩短检测时间。

多孔支撑材料作为传感基底被用于检测cTnI的电化学发光传感器设计,Tu等^[43]以鲁米诺/H₂O₂作为ECL的发光探针,并通过反应在铟锡氧化物(ITO)涂层玻璃上原位生成了具有垂直排列纳米通道的介孔二氧化硅膜(MSF),MSF的这些纳米通道用于发光探针的通过。将cTnI适体修饰于纳米通道口边缘,cTnI与适体结合会导致通道封闭阻碍发光探针通过,进而引起ECL信号减小,同时也会引起EIS信号增大。利用这一原理可以通过ECL和EIS对cTnI并行定量分析,线性检测范围在0.05 pg/mL~10 ng/mL。该传感器的主要优势在于其可以通过ECL和EIS两种信号响应并行量化cTnI,使检测结果具有更高的可靠性和准确性,但该传感器的响应速度仍然处于较慢的水平,检测时间长达1.5 h。除以上方法外,研究人员还结合电化学发光法设计了比率传感策略^[44,45]用于cTnI的检测。

基于光学检测cTnI的方法还包括比色法^[46]和SPR^[47]。通过上述研究可以看出,这些方法都有灵敏度高、特异性好以及选择性好等优势,实现了对cTnI的灵敏检测,也为后续开发新的光学检测方法提供了借鉴和参考。

3 电化学检测

电化学检测是检测生物标志物的一种理想方法,因其具有设备简单、成本低和响应速度快等优点,近几年被广泛应用于cTnI检测领域,是检测cTnI的一种常用方法^[48]。电化学适体传感器的工作原理:一种是待测物与适体结合引起电极阻抗或界面氧化还原电容变化,另一种是适体在结合靶标后构象发生变化使电化学氧化还原探针与电极表面距离改变导致氧化还原电流发生变化^[49]。方波伏安法(SWV)、电化学阻抗谱(EIS)和差分脉冲伏安法(DPV)等是电化学检测中信号转换的常用方法,应用于cTnI的定量分析^[50⇓~52]。

3.1 电化学阻抗谱

EIS常用于研究界面电化学现象,使用靶标捕获探针修饰电极的EIS检测是一种可靠稳定的方法^[53,54]。目前,研究人员开发了许多基于EIS的电化学适体传感平台用于cTnI的检测,具有易操作和小型化等优点^[55]。检测原理是cTnI被固定于电极表面的特异性适体捕获会导致电极表面阻抗变化,阻抗大小随cTnI浓度变化而改变^[56]。在电极表面修饰电化学性能好的材料有助于提高传感器的检测性能, Zheng等^[57]将MoS₂修饰于电极上并将cTnI适体固定在上面,当cTnI加入后,由于cTnI和适体结合性更强,适体从电极表面脱离与cTnI特异性结合从而导致阻抗变化,实现了cTnI的检测。但MoS₂由于范德华力的不稳定性,会出现严重的重新堆积,导致活性位点减少,结合其他材料时导电性变差,影响电化学性能。为克服这些缺点,一种由醋酸纤维素(CA)和二硫化钼(MoS₂)组合的复合材料CA-MoS₂被设计出来用于cTnI电化学适体传感器的开发^[58],该材料有大量暴露的活性位点且具有良好的电子转移性能。通过将CA-MoS₂修饰于电极上并结合EIS方法提高了电化学性能,实现了对cTnI的灵敏检测。

AuNPs因其表面积大以及尺寸可控性等优势也被用于电化学传感器的开发,Kitte等^[59]结合AuNPs设计了基于EIS的cTnI电化学检测平台,原理如图4所示。氧化铟锡(ITO)电极经处理后,表面被引入硫醇基团,用于结合AuNPs。一端被硫醇修饰的cTnI适体结合在AuNPs上用于捕获cTnI,在cTnI存在时,适体与之结合导致传感器阻抗增大。经过EIS分析,结果显示检测限低至0.055 pg/mL且具有宽线性范围(0.1 pg/mL~10 ng/mL之间),此策略在人血清样品中的检测结果令人满意,有望将来用于真实样品的检测。

以上cTnI电化学适体传感器通过EIS实现了浓度信号向电化学信号的灵敏转换。电化学性能优异材料的引入,放大了电化学信号以提高灵敏度,另外,传感器还显示出优异的选择性,实现了低检测限和宽的检测范围。

3.2 差分脉冲伏安法

DPV也是电化学检测中常用的生物标志物定量分析方法,随着目标分析物的增多,峰值电流的大小发生变化,由此实现分析物浓度信号到电流信号的转换^[60]。由于单链DNA适体在电极表面易发生非特异性吸附和聚集,阻碍了cTnI与适体的结合,进而影响检测的灵敏度。而DNA纳米四面体(NTH)因其独特的结构可以抑制适体的纠缠并牢固附着在电极表面,Sun等^[61]结合NTH设计了电化学双适体生物传感器,原理如图5所示。首先将两种适体修饰于双金属Cu@Au纳米粒子修饰的磁性金属有机框架Fe₃O₄@UiO-66 (Fe₃O₄@UiO-66/Cu@Au)表面,得到非酶纳米探针1 (NP1),将与两适体互补的cDNA修饰于Cu@Au纳米粒子上形成非酶纳米探针2 (NP2)。将NTH一端修饰适体捕获cTnI,NP1上的适体与cTnI结合,NP2又通过碱基互补配对与NP1结合形成了基于簇的纳米探针,用于催化反应放大电化学信号,提高了灵敏度。最后通过DPV实现了cTnI的定量检测,cTnI浓度越大,DPV峰值电流越大,结果显示检测限为16 pg/mL。通过对纳米催化探针的优化设计以及对NTH修饰适体的改动提高了灵敏度^[62],检测限低至7.5 pg/mL。

一般来说,只有适体结合cTnI的情况下不足以产生足够的信号强度实现定量分析,因此具有信号放大作用的纳米材料被开发出来用于提升电化学适体传感器的性能, Jin等^[63]将Au纳米颗粒组装于氧化铟(In₂O₃)表面,开发了一种立方Au/In₂O₃纳米材料,显著提高了导电性能。该材料被修饰在电极上且用于适体的固定,当cTnI与适体结合后,由于cTnI带负电且阻碍电极表面的电子转移,导致了DPV峰值电流降低,以此实现信号的转换。此方法简化了实验操作并缩短了检测周期,仅需10 min即可完成cTnI的检测,检测限为0.06 ng/mL且有0.1~1000 ng/mL的线性检测范围。除此之外,Guo等^[64]设计了铜纳米线(CuNWs)、氧化还原石墨烯(rGO)和MoS₂三者复合的纳米材料,Yuan等^[65]设计了银纳米颗粒(AgNPs)/ MoS₂/ rGO复合纳米材料,都用于cTnI电化学适体传感器的开发。Wang等^[66]提出了一种新策略,将二茂铁共价有机骨架纳米片(Fc-COFNs)修饰于金电极上,cTnI适体附着在Fc-COFNs上起到屏蔽作用,导致电化学信号显著降低。待测溶液加入后,由于cTnI与适体结合性更强,使得适体从Fc-COFNs表面脱离,电化学信号恢复,DPV峰值电流变大,实现了cTnI的定量检测。结果显示该方法性能优异,检测限达到了2.6 fg/mL,具有极高的灵敏度。然而若想应用于真实样品的检测,检测时间仍需缩短,后续可以优化实验操作,简化实验步骤实现快速检测。

3.3 方波伏安法

SWV是一种通用的伏安法技术,常用于分析应用等领域^[67]。在分析应用领域,SWV相比其他伏安法展示了更短的分析时间和显著降低电容电流的能力^[68]。以SWV为信号转导方式,结合纳米材料开发的电化学适体传感平台在cTnI定量分析中展现了优异的性能,Ban等^[69]使用二茂铁修饰的二氧化硅纳米颗粒(Fc-SiNPs)设计了一种基于SWV的电化学传感平台。Fc-SiNPs用于电子转移的电化学活性探针。在cTnI不存在的情况下,适体自组装单层允许Fc-SiNPs进入电极表面从而产生大的电流信号,而当cTnI存在时,适体与cTnI特异性结合阻止了Fc-SiNPs进入电极表面,降低了电流信号。以此为原理,使用SWV进行定量测定,根据cTnI的浓度,氧化峰电流有不同程度的降低,结果显示,该平台在缓冲液中的检测限为24 pg/mL。基于末端脱氧核苷酸转移酶 (TdT) 介导的信号扩增策略用于设计电化学传感器^[70],原理如图6所示。在金电极上修饰探针2(P2),cTnI适体链与探针1(P1)结合,当cTnI加入时,适体与P1解离并与cTnI结合,游离的P1与P2结合形成DNA杂交双链。在TdT和dTTP的存在下,TdT介导P1延伸形成超长聚胸腺嘧啶的核酸链(polyT),用于结合大量聚腺嘌呤链(polyA)修饰的亚甲基蓝(MB)到电极表面。由于MB是电子转移介质,因此电化学信号得以放大,提高了检测cTnI的灵敏度。采用SWV进行定量分析,在人血清、尿液和唾液中成功检测到了cTnI。

Salama等^[71]采用了易表面修饰和制作的激光刻蚀石墨烯(LSG)电极并用新型铁氧体锌纳米颗粒(ZnFe₂O₄NPs)修饰,显著提高了灵敏度和电催化活性。在电极表面固定硫醇修饰的DNA适体,适体与cTnI结合后阻碍氧化还原探针向电极表面扩散导致峰值电流降低,采用SWV测量cTnI加入前后的峰值电流完成cTnI的定量。实验分析表明,该策略有望集成到护理点(POC)装置,用于检测cTnI。

除以上方法外,研究人员还开发了其他电化学检测平台。例如,Ban等^[72]使用电流分析法开发了一种三明治结构的生物传感器。通过金纳米颗粒的电沉积和导电聚合物的电聚合对电极表面进行了修饰,并在其上固定适体Tro4,在适体Tro6的一端修饰肼作为检测探针,存在cTnI时,三者结合形成三明治结构。该策略通过检测肼和H₂O₂之间催化反应产生的安培信号实现cTnI的定量。Villalonga等^[73]以纳米材料羧基乙基硅烷三醇改性氧化石墨烯(CES-GO)为转导元件修饰电极,结合氨基修饰的适体 (Apt-NH₂)和适体-过氧化物酶缀合物(Apt-HRP)构建了夹心型安培适体传感器。存在cTnI时,与Apt-NH₂和Apt-HRP三者形成夹心型结构,HRP随cTnI增加而增加。在HRP催化作用下,电流信号放大,浓度信号转化为电流信号,最后通过安培法测量信号。之后,Lan等^[74]设计了Au修饰的锆基导电碳(Au/Zr-C)修饰电极,降低了背景信号、改善了电化学性能并提高了灵敏度。另外,他们设计了雪花状PtCuNi三元金属合金作为催化剂,进一步提升了灵敏度,检测限达到了1.24 fg/mL,在cTnI的定量分析中表现出优异的性能。叉指电极也用于构建cTnI的电化学传感平台,Gopinath等^[75]在叉指电极上固定金纳米粒子(GNPs)修饰的适体用于捕获cTnI,通过电分析实现响应信号的转化,与纯适体作捕获探针相比,提高了灵敏度。电化学检测法具有成本低、设备简单和响应速度快的优点,在小型化和便携化设备的研发方面有很大的发展潜力^[76]。然而基于电化学信号的适体传感器通常需要将适体修饰到电极表面形成敏感功能涂层,该涂层在生物流体、干燥空气、电压脉冲等因素下容易脱落^[77],这限制了电化学适体生物传感器的广泛应用。而基于光学信号的适体传感器不受适体固定修饰操作的影响,相较于电化学信号传感器具有较好的稳定性和较高的灵敏度,现阶段一些光学生物传感器已经进入市场,不过大多是较为昂贵的,这是因为光学信号生物传感器的敏感性依赖于较为复杂的分子体系,通过开展基于新原理新方法的光学生物传感器,降低对复杂分子反应体系的依赖将是光信号生物传感器的研究方向之一^[78]。因此基于电化学和光学信号的适体传感器应用于居家诊断AMI仍有较大的发展空间。

4 结论与展望

灵敏、快速和便携的cTnI检测方法对AMI的早期快速诊断具有重要意义。适体具有易合成、低成本和热稳定性好等特点,在生化传感领域有良好的应用前景。基于适体的cTnI检测平台显示出与免疫测定法相似的灵敏度,且随着新型纳米材料和信号扩增技术的发展,cTnI检测平台的性能逐步提高。不过基于适体cTnI传感器至今未实际应用于临床诊断,仍然存在一些问题和挑战待解决。

综上,为满足基于适体的cTnI传感器临床应用的迫切需求,首先,研究者需要持续提升适体的响应速度,解决适体结合cTnI缓慢的问题,厦门大学杨朝勇等^[79]提出利用机器学习的方法提高适体的识别精度和效率。其次,基于适体开发新的敏感材料以促进适体生物传感器的敏感化和便携化,例如将适体DNA分子作为非共价交联单元构筑智能DNA水凝胶,研究稳定性和生物相容性良好,孔径和功能可调节的生物敏感材料^[80,81]。最后,开发基于新原理新方法的适体传感器,逐步提高cTnI检测器件的用户友好程度,本课题组^[82]聚焦距离信号传感器的研究,可将检测信号以读取温度计的方式呈现出来,在提高检测装置便携性的同时极大降低了使用者的操作难度。总之,筛选响应速度更快的适体分子,开发更加便携和容易操作的cTnI传感技术,推动适体传感器的商品化进程,将是实现AMI患者居家现场检测cTnI,降低心血管疾病死亡率的有效途径之一。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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