慢性疾病的個(gè)性化長(zhǎng)期治療的精準(zhǔn)指導(dǎo)，需要能夠準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)分析物并調(diào)節(jié)治療蛋白遞送的系統(tǒng)。然而，為了優(yōu)化給藥物劑量和時(shí)機(jī)，需要一個(gè)對(duì)小分子（例如激素）濃度的變化敏感的多功能電子平臺(tái)，以作為電子元件和遺傳組分之間的接口。因此，當(dāng)前的研究目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)多功能的生物電子接口（VIBE）平臺(tái)來(lái)滿足這一需求。該平臺(tái)應(yīng)該具有能夠通過(guò)電子接口感知工程信號(hào)級(jí)聯(lián)引導(dǎo)的受體-配體相互作用的獨(dú)立組件。

糖尿病是一種由葡萄糖代謝失調(diào)引起的常見(jiàn)慢性疾病，是生物電子接口平臺(tái)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。胰島素和GLP-1是葡萄糖代謝的主要調(diào)節(jié)因子。同時(shí)，胰島素或GLP-1的異常水平也與心血管或神經(jīng)元疾病有關(guān)。雖然酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）和放射免疫測(cè)定等分析方法對(duì)胰島素和GLP-1具有高選擇性，但是生物電子接口具有提供緊湊、超靈敏、實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（例如個(gè)性化醫(yī)療器械）的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員設(shè)計(jì)了一種多功能生物電子接口，該接口采用三電極系統(tǒng)，其中工作電極用單壁碳納米管（SWCNTs）修飾，并植入過(guò)表達(dá)目標(biāo)分析物受體的穩(wěn)定狀態(tài)的工程細(xì)胞。在人類細(xì)胞的天然分子環(huán)境中，特定靶受體的穩(wěn)定異位表達(dá)改善了受體-配體的相互作用，并導(dǎo)致蛋白質(zhì)屏蔽效應(yīng)，該屏蔽效應(yīng)可以通過(guò)電輸出信號(hào)的變化進(jìn)行量化。該生物電子接口平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)用另一個(gè)適當(dāng)工程化的過(guò)表達(dá)相關(guān)受體的細(xì)胞克隆體來(lái)取代其細(xì)胞成分，靶配體可以被很容易地改變。

此外，研究成果表明，相比于其他檢測(cè)方法，該生物電子平臺(tái)提供亞納摩爾（sub-nanomolar）范圍的低檢測(cè)限，其特征是輸出電流顯著降低，從而可以在整個(gè)人體生理相關(guān)濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)肽類激素的精確分析。相關(guān)研究成果以“A versatile bioelectronic interface programmed for hormone sensing”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 生物電子接口（VIBE）平臺(tái)示意圖、照片和電極表征

為了研究該生物電子接口平臺(tái)作為即時(shí)診斷裝置的潛在效用，研究人員將生物電子平臺(tái)分別應(yīng)用于野生型小鼠、2型糖尿病小鼠和實(shí)驗(yàn)性1型糖尿病小鼠的血液樣本。研究結(jié)果證明，該生物電子平臺(tái)可以有效區(qū)分野生型小鼠、實(shí)驗(yàn)性1型糖尿病小鼠和2型糖尿病小鼠血清樣本中的胰島素和GLP-1水平。

圖2 分別使用胰島素生物電子接口（VIBEINS）平臺(tái)和GLP-1生物電子接口（VIBEGLP-1）平臺(tái)分析小鼠血液樣本中的胰島素和GLP-1水平

接著，為了研究該生物電子接口平臺(tái)潛在的臨床適用性，研究人員在禁食或餐后條件下采集了不同來(lái)源、年齡和飲食習(xí)慣的健康人類個(gè)體的血液樣本。該生物電子接口平臺(tái)的檢測(cè)結(jié)果顯示，受試者的餐后胰島素水平顯著升高，但是血糖水平?jīng)]有明顯升高（圖3a），符合正常代謝的結(jié)果（圖3b）。此外，研究結(jié)果顯示，使用生物電子接口平臺(tái)進(jìn)行的重復(fù)分析與用臨床批準(zhǔn)的ELISA的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異，從而證實(shí)了所開(kāi)發(fā)的平臺(tái)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性（圖3c）。

圖3 使用胰島素生物電子接口（VIBEINS）平臺(tái)評(píng)估人類血液樣本

綜上所述，研究人員設(shè)計(jì)、構(gòu)建并驗(yàn)證了一種生物電子接口平臺(tái)，該平臺(tái)采用了可以穩(wěn)定表達(dá)與合成信號(hào)通路相關(guān)的受體的單克隆工程細(xì)胞。這種基于電子接口的信號(hào)級(jí)聯(lián)檢測(cè)方法具有非常高的特異性，并且可以實(shí)現(xiàn)在寬濃度范圍內(nèi)對(duì)受體-配體相互作用的超靈敏檢測(cè)，適用于實(shí)際和臨床應(yīng)用。

相關(guān)的研究結(jié)果表明，該生物電子接口平臺(tái)可以區(qū)分野生型、實(shí)驗(yàn)型1型糖尿病和2型糖尿病小鼠，也可以區(qū)分禁食和餐后狀態(tài)。在人體樣本中，該生物電子接口平臺(tái)可以可靠地檢測(cè)出與個(gè)體胰島素抵抗和食物攝入時(shí)機(jī)相對(duì)應(yīng)的胰島素濃度范圍。此外，該生物電子接口平臺(tái)的高靈敏度使得其能夠檢測(cè)到具有殘留的胰島素分泌能力的1型糖尿病患者的低胰島素水平。

最后，該生物電子接口器件的小尺寸將有利于其在植入式設(shè)備中的集成，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)感知和控制細(xì)胞療法患者的生理狀態(tài)。此外，該生物電子接口平臺(tái)的多路復(fù)用有望使其成為現(xiàn)有血糖儀的有效替代方案，用于分析患者的健康狀況和制定個(gè)性化的醫(yī)療干預(yù)措施。

審核編輯：劉清