新型便攜非侵入式設備可成功檢測出阿茲海默症和帕金森氏症生物標記
由科學家組成的國際團隊創造了一種手持式非侵入性設備,可以檢測阿茲海默症和帕金森氏症的生物標記。這種生物感測器還可以透過無線方式將檢測結果發送到筆記型電腦或智慧型手機上。
生物感測器和讀取器可在家中或護理點使用。該系統可將結果無線傳輸給醫生、病人、病人的護理人員和家人。圖片來源:David Baillot/加州大學聖迭戈分校
該設備成功地對患者的體外樣本進行了測試,證明其準確性可與目前最先進的方法相媲美。下一階段將使用這種生物感測器對唾液和尿液樣本進行實驗。此外,該設備還有可能用於檢測其他各種病症的生物標記。
研究人員說,這種裝置依賴的是電檢測而不是化學檢測,因此更容易實現,也更準確。最近《美國國家科學院院刊》發表了他們的研究成果。
這種生物感測器由一個晶片和一個高靈敏度電晶體組成,晶片由一個單原子厚的石墨烯層和三個電極組成–源極和汲極,與電池的正負極相連,用於產生電流;閘極用於控制電流的大小。圖片來源:David Baillot/加州大學聖迭戈分校
加州大學聖迭戈分校雅各布斯工程學院生物工程、機械工程和材料科學教授拉特內什-拉爾(Ratnesh Lal)是這篇論文的通訊作者之一,他說:「這個便攜式診斷系統可以在全球範圍內對神經退化性疾病進行家庭和醫療點(如診所和養老院)檢測。”
早期檢測的迫切需求
到2060 年,將有約1,400 萬美國人罹患阿茲海默症。其他神經退化性疾病,如帕金森氏症,也呈現上升趨勢。目前最先進的阿茲海默症和帕金森氏症檢測方法需要進行脊髓穿刺和影像測試,包括核磁共振成像。因此,由於患者對侵入性程序望而卻步,早期發現疾病十分困難。對於已經出現症狀、行動不便的患者以及無法及早前往當地醫院或醫療機構就診的患者來說,檢測也很困難。
拉爾重點研究的這一領域的一個流行假說是,阿茲海默症是由可溶性澱粉樣肽引起的,這些澱粉樣肽聚集成較大的分子,進而在大腦中形成離子通道。
生物感測器矽孔特寫,底部為石墨烯電晶體。圖片來源:David Baillot/加州大學聖地牙哥分校
拉爾希望開發一種檢測方法,能夠非侵入性檢測阿茲海默症的生物標記–澱粉樣beta 和tau 肽,以及帕金森氏症的生物標記–α-突觸核蛋白,特別是從唾液和尿液中進行檢測。他希望依靠電子檢測而不是化學檢測,因為他認為電子檢測更容易實現,也更準確。他還想製造一種能將檢測結果無線傳輸給病人家屬和醫生的設備。該設備是他三十年專業知識的結晶,也是他與全球研究人員合作的成果,其中包括這項工作中來自德克薩斯州和中國的共同作者。
為了實現拉爾的願景,他和同事們改造了他們在COVID大流行期間開發的一種設備,用於檢測活的SARS-CoV-2病毒中的尖峰蛋白和核蛋白,他們在2022年的《美國國家科學院院刊》(PNAS)上對此進行了描述。晶片微型化和生物感測器製造的大規模自動化使這一突破成為可能。
設備的製造和工作原理
2023 年《美國國家科學院院刊》(PNAS)研究中所描述的裝置由一個具有高靈敏度電晶體(俗稱場效電晶體(FET))的晶片組成。在這種情況下,每個電晶體都由單原子厚的石墨烯層(GFET,G 代表石墨烯)和三個電極組成–源極和汲極(與電池的正負極相連,用於流過電流)以及一個閘極(用於控制電流大小)。
與閘極相連的是一條DNA 鏈,它可以作為探針與澱粉樣beta 蛋白、tau 蛋白或突觸核蛋白特異性結合。這些澱粉樣蛋白與其特異性DNA 鏈探針(稱為適配體)的結合會改變源極和汲極之間的電流大小。這種電流或電壓的變化就是用來檢測特定生物標記(如澱粉樣蛋白或COVID-19 蛋白質)的訊號。
研究小組以阿茲海默症和帕金森氏症患者的腦源性澱粉樣蛋白對該裝置進行了測試。實驗結果表明,生物感測器能夠非常準確地檢測出這兩種疾病的特定生物標記物,與現有的最先進方法不相上下。該裝置還能在極低的濃度下工作,這意味著它需要的樣本量很小,只有幾微升。
此外,測試表明,即使分析的樣本中含有其他蛋白質,該裝置也能很好地發揮作用。Tau蛋白更難檢測。但是,由於該設備檢測的是三種不同的生物標記物,因此它能將這三種標記物的檢測結果結合起來,得出可靠的整體結果。
這項技術已由加州大學聖地牙哥分校授權給一家生技新創公司Ampera Life。拉爾是該公司的董事長,但他的研究目前並沒有得到該公司的資金支持。
下一步工作包括用該設備檢測血漿和腦脊髓液,最後是唾液和尿液樣本。測試將在醫院和療養院進行。如果這些測試進展順利,Ampera Life 公司計劃申請FDA 批准該設備,希望在未來五、六個月內獲得批准。最終目標是在一年內將該設備投放市場。
編譯自ScitechDaily