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现在，在哈佛大学的Wyss生物启发工程研究所和英国巴斯大学的一个多学科团队，由Wyss创始董事Donald Ingber，医学博士，博士和Wyss资深科学家Pawan Jolly，博士领导，进一步发展了该研究所的快速技术作为一种亲和基础，低成本的电化学诊断传感器平台，用于临床相关的多路检测生物标记物在全血。该装置使用了一本小说石墨烯基于纳米复合材料的表面涂层，被证明可以同时准确检测三种不同的败血症生物标志物。
“在这项研究中，我们向将我们的电化学传感器平台应用于临床环境中快速和敏感地检测人类全血中多种分析物迈出了重要的一步。由于我们在这里开发的纳米复合涂层价格低廉，它有可能彻底改变即时诊断技术，不仅可以检测败血症的生物标志物，还可以检测更广泛的生物标志物，这些生物标志物可以多路复用，以报告许多疾病和条件的状态。”他也是Wyss研究所生物启发疗法和诊断平台的负责人。
Ingber, Jolly和他们的Wyss团队目前也在开发基于石墨烯纳米复合涂层的快速电化学传感器，作为即时诊断的关键组件COVID，创伤性脑损伤，心肌梗塞，以及许多其他疾病。
通过开发电化学脓毒症传感技术，Ingber的团队在《自然纳米技术》上发表的早期工作的基础上，用他们的快速技术解决了电化学传感元素的“生物污染”问题。理论上,电化学生物传感器由于其能够通过将生物标志物的结合事件直接转换为电子信号来量化生物样本的内容，其低功耗和成本，且易于与诊断阅读器集成，因此将成为许多临床应用的首选。然而，特别是在使用全血时，许多血液成分非特异性地与传感器电极的表面涂层结合，导致其降解，以及以假信号形式出现的电噪声。
该团队的rapid技术使用了一种新型的防污纳米复合电极涂层，将结合试剂附着在电极上，从少量血液和其他复杂的生物液体中捕捉生物标志物分子。在用高灵敏度和高选择性的化学方法检测这些生物标志物分子中的任何一个时，errapid平台在电极上产生电信号，其强度与检测到的目标分子水平相关。最初的纳米复合涂层能够很好地将化学信号转化为电信号，并依赖于嵌入交联蛋白(牛血清白蛋白)基质中的微小导电金纳米线。然而，黄金材料的高成本一直是rapid商业化用于临床应用的主要障碍。
“在我们先进的快速版本中，我们替换了涂层的金色纳米线石墨烯氧化物纳米片也具有防污和电化学性能，但它们的价格要便宜得多，而且可以进行更灵敏的测量。事实上，纳米复合材料的制造成本已经降低到最初成本的一小部分，再加上传感技术的速度、效率和多功能性，应该能够使errapid平台立即产生商业影响。”Jolly说。
在优化和表征了纳米复合涂层与炎症细胞因子白细胞介素6的结合分析后，该团队将其应用于脓毒症的诊断。从本质上讲，通过将一个抗体分子附着在与降钙素原(PCT)结合的涂层上，并将第二个PCT特异性抗体添加到与酶相连的复合物上，一种化学基质形成的沉淀物沉积在涂层上。这改变了到达电极的电子电流，并帮助将PCT结合事件记录为电子信号。
“我们证明了这种电化学传感器元件可以在全血中高精度地检测PCT，并通过定量21个临床样本中的PCT水平来验证它，直接将其与传统的ELISA分析进行比较——具有极佳的相关性。”第一作者Uroš Zupančič说，他是英格尔小组的访问学者，来自巴斯大学。Zupančič是一名博士候选人，由该研究的合著者巴斯大学讲师Despina Moschou博士和该大学生物传感器、生物电子学和生物设备中心主任佩德罗·埃斯特雷拉博士指导。
随后，该团队扩展了他们的方法，通过设计c反应蛋白(另一个败血症生物标志物)和病原体相关分子模式(PAMPs)的传感器元件，同时检测多个败血症生物标志物。PAMP传感器元件特别利用了Wyss研究所的广谱病原体捕捉技术，该技术使用了一种名为FcMBL的基因工程蛋白，它可以结合所有类别的100多种不同病原体，以及病原体被杀死时释放到血液中的表面分子(PAMPs)，并触发脓毒症的级联反应。
“在一个芯片上组装三个用于生物标记物的专用电化学传感器元件是一个重大挑战，这些生物标记物可以在血液中以非常不同的浓度出现。然而，最终传感器中的三个元素在没有相互干扰的情况下，在临床显著范围内表现出了特定的反应，而且它们的反应时间为51分钟，在第一个小时内就满足了诊断败血症的临床需要。”Zumpančič表示。
为了使目前的rapid技术在临床样本分析中更加有效和有用，该团队将其与微流控系统集成，该系统去除实验室中处理传感器时涉及的人为因素，并提高其表面生物标志物结合事件的数量。这使得使用该系统进行生物标志物分析实现了自动化，并使研究人员能够将PCT测量的周转时间缩短至7分钟。
研究结果发表在先进功能材料．
来源:哈佛大学维斯研究所
