用于激素傳感的多功能生物電子接口平臺可分析糖尿病患者健康狀況

慢性疾病的個性化長期治療的精準(zhǔn)指導(dǎo)，需要能夠準(zhǔn)確檢測目標(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)化給藥物劑量和時機(jī)，需要一個對小分子（例如激素）濃度的變化敏感的多功能電子平臺，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)是通過開發(fā)一個多功能的生物電子接口（VIBE）平臺來滿足這一需求。該平臺應(yīng)該具有能夠通過電子接口感知工程信號級聯(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)引起的常見慢性疾病，是生物電子接口平臺的潛在應(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，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)免疫吸附測定（ELISA）和放射免疫測定等分析方法對胰島素和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)時檢測和監(jiān)測系統(tǒng)（例如個性化醫(yī)療器械）的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自瑞士蘇黎世聯(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)可以通過電輸出信號的變化進(jìn)行量化。該生物電子接口平臺的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，通過用另一個適當(dāng)工程化的過表達(dá)相關(guān)受體的細(xì)胞克隆體來取代其細(xì)胞成分，靶配體可以被很容易地改變。

此外，研究成果表明，相比于其他檢測方法，該生物電子平臺提供亞納摩爾（sub-nanomolar）范圍的低檢測限，其特征是輸出電流顯著降低，從而可以在整個人體生理相關(guān)濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對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）平臺示意圖、照片和電極表征

為了研究該生物電子接口平臺作為即時診斷裝置的潛在效用，研究人員將生物電子平臺分別應(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）平臺和GLP-1生物電子接口（VIBEGLP-1）平臺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源、年齡和飲食習(xí)慣的健康人類個體的血液樣本。該生物電子接口平臺的檢測結(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進(jìn)行的重復(fù)分析與用臨床批準(zhǔn)的ELISA的測定結(jié)果無顯著差異，從而證實(shí)了所開發(fā)的平臺的準(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）平臺評估人類血液樣本

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，該平臺采用了可以穩(wěn)定表達(dá)與合成信號通路相關(guān)的受體的單克隆工程細(xì)胞。這種基于電子接口的信號級聯(lián)檢測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)對受體-配體相互作用的超靈敏檢測，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可以可靠地檢測出與個體胰島素抵抗和食物攝入時機(jī)相對應(yīng)的胰島素濃度范圍。此外，該生物電子接口平臺的高靈敏度使得其能夠檢測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，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來感知和控制細(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性化的醫(yī)療干預(yù)措施。

審核編輯：劉清