纳米传感器：疾病早期诊断的新星

对于很多疾病来说，诊断得越早，疗效和预后就越好。英国伦敦帝国学院和西班牙维戈大学的科学家研制出一种新的生物纳米传感器，有望更早地诊断疾病。

    

传统的生物传感器产生的信号与靶分子的浓度成正比，靶分子浓度较低时，传感器的灵敏度降低，变得容易被其他分子干扰。

    

由Molly Stevens和同事们研制的这种新传感器则相反，靶分子浓度越低，产生的信号越强，从而能够可靠地检测到低浓度的靶分子，其可检出的最低浓度比医院现在使用的诊断方法低好几个数量级，比目前最灵敏的检测方法也至少低10倍，有利于早期诊断疾病。以癌抗原这样的生物标志物为例，早期诊断方法是否有效，关键就在于它能否可靠地辨别浓度是“零”还是“痕量”。“对许多疾病来说，用现有的技术寻找早期征象简直像大海捞针一样，”Stevens说，“而我们的新技术还真能捞到那根针。”

孵育纳米星

   

研究团队用直径50纳米的小金星（纳米星）制造传感器。金表面的传导电子发生相干振荡，形成等离子体；葡萄糖氧化酶（GOx）粘附到金星表面，作为生物催化剂，将溶液里的银离子还原为银原子。当GOx浓度较低时，银原子在纳米星周围沉积，为它们裹上一层银衣，导致其表面等离子体的共振频率加快（蓝移）。而当GOx浓度较高时，银的结晶率也较高，更容易在溶液里形成独立的晶核，纳米星表面等离子体的共振频移也较不明显。向纳米星上照射可见-近红外光，一部分光将被吸收，通过检测最大吸收峰可测定共振频率。这样，只要测出加入GOx前后的共振频率，便可非常灵敏地测定GOx的浓度。

   

接下来的工作是用纳米传感器测定人们感兴趣的生物分子的浓度——在这项研究中，科学家的测定目标是前列腺癌的一种生物标志物，叫做前列腺特异性抗原（PSA）。为此，研究人员先用能从溶液中“捞”出PSA的抗体包裹纳米金星，然后加入与GOx联结在一起的另一种抗体，后者又与纳米星表面的PSA结合；GOx还原银离子，使表面等离子体共振频移，从而被检测出来。

    

通过这个技术，研究人员可以检测到浓度低至10^-18 g/ml的PSA，这比医院里广泛使用的酶联免疫吸附法（ELISA）所能检测到的下限低十亿倍。

   

“靶分子浓度越低，我们的传感器产生的信号越强，”Stevens说，“所以，即使是超低浓度的靶分子，也可以非常可靠地检测出来。”

“不错的戏法” 

 

这个新技术给Quanterix公司的研究负责人DavidDuffy留下了很好的印象（Quanterix是美国波士顿的一家开发单分子蛋白检测技术的公司），“它就像是一个精彩的戏法，独辟蹊径，”他说，“它确实把我吸引住了。”

    

能以很高的灵敏度检测PSA的方法是非常重要的。在前列腺癌手术后，PSA不应再在体内出现，除非癌症扩散或受癌症影响的组织未完全切除。

    

以前，人们一直无法检测出超低水平的PSA，所以现在并不靠PSA来判断手术效果。所有患者都面临相同的风险——他们并不知道手术的长期效果是否成功，”Duffy解释道，“毫无疑问，与金标准ELISA相比，这个新方法在灵敏度上向前迈了一大步。”

展望未来

    

英国布里斯托大学的纳米结构和电化学专家David Fermin同样对这个新成果表示了赞赏，称之为“令人瞩目的工作”。

    

Fermin建议，下一步研究应该着眼于检测的特异性，即当存在潜在的干扰物质时，极低浓度的生物标志物是否能被可靠地检测出来。“研究人员在论文中只是简单地提到了这个问题，但我认为它非常重要。我想，一定能找到巧妙的化学方法，让这个技术变得特异性很高，它着实令人激动，”他说。

    

到目前为止，研究人员只针对PSA这一种生物标志物进行了实验，但Stevens表示，“我们相信，这一方法能用于早期诊断多种疾病”。他们感兴趣的生物标志物还包括p24，一种与HIV感染有关的蛋白质，精确检测p24将有助于诊断尚处于萌芽阶段的HIV感染。