急性心肌梗死（AMI）是我國致死率最高的疾病之一，約每20秒就有一名中國人死于急性心梗。AMI的誘因包括高血壓、高血脂、過勞、煙酒、情緒激動(dòng)、暴飲暴食、睡眠不足等等，高風(fēng)險(xiǎn)人群范圍極大。與此同時(shí)，AMI對(duì)搶救時(shí)間極為敏感，通常發(fā)病6小時(shí)以內(nèi)的救治最為有效。然而由于癥狀十分復(fù)雜，包括牙痛、頭疼、肩胛骨疼痛甚至腳底疼痛等等都有可能是急性心梗的征兆，而其診斷仍然需要在大型醫(yī)院進(jìn)行血液化驗(yàn)和心臟彩超，流程復(fù)雜耗時(shí)長，同時(shí)造成了大量急性心梗患者因“怕麻煩”而耽誤了治療。基于以上因素，近年來我國AMI病例出現(xiàn)了年輕病例比例上升、非典型癥狀病例上升、死亡率上升等趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2002年起15年時(shí)間里，城市AMI死亡率上升了362%。

針對(duì)AMI最為理想的篩查方式應(yīng)該是可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)，快速獲得結(jié)果。如果患者可以像使用家用血糖儀一樣隨時(shí)隨地通過一滴血快速篩查AMI風(fēng)險(xiǎn)，可預(yù)見將極大的降低AMI致死的風(fēng)險(xiǎn)。然而雖然人體血液中含有針對(duì)AMI有著極高特異性的蛋白標(biāo)志物（如心肌肌鈣蛋白cTnI等），但是針對(duì)目前針對(duì)這些標(biāo)志物的檢測(cè)存在以下困難：（1）檢測(cè)方法大多基于抗體，而抗體本身具有活性，其存儲(chǔ)、使用往往需要較為嚴(yán)苛的醫(yī)學(xué)環(huán)境，當(dāng)儲(chǔ)存溫度過高時(shí)將很容易造成抗體失活，導(dǎo)致傳感器失效；（2）檢測(cè)流程中需要對(duì)血液進(jìn)行預(yù)處理，以排除血液中大蛋白分子、脂類等對(duì)敏感過程的干擾。以上兩點(diǎn)困難使得目前針對(duì)AMI的檢測(cè)、篩查只能在較為完備的醫(yī)療環(huán)境中進(jìn)行，而無法實(shí)現(xiàn)即時(shí)即地篩查或檢測(cè)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述這些問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)潘昀路教授課題組近日提出了一種水凝膠-石墨烯三維生物傳感器構(gòu)型。該構(gòu)型將超浸潤多孔水凝膠、核酸適配體與石墨烯場效應(yīng)管有機(jī)結(jié)合，利用高穩(wěn)定性、高特異性的核酸適配體解決了抗體穩(wěn)定性較差的問題；利用超浸潤多孔水凝膠的自過濾、自清潔功能解決了血液中大分子蛋白和脂類對(duì)石墨烯敏感表面的影響；利用石墨烯場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面微量蛋白濃度變化的高效敏感。與此同時(shí)，水凝膠-核酸適配體三維敏感層實(shí)現(xiàn)了敏感區(qū)域的三維化，一方面增強(qiáng)了傳感器的整體增益，同時(shí)可通過控制三維敏感層厚度來調(diào)整傳感器整體性能，使其在關(guān)鍵濃度區(qū)域具有較高的敏感能力。

超浸潤自過濾水凝膠-石墨烯三維生物傳感器

具體而言，該傳感器具有：（1）超浸潤自過濾自清潔能力，水凝膠復(fù)合層使用丙烯酰胺單體和單鏈DNA適配體探針聚合形成三維“海綿狀”的孔隙結(jié)構(gòu)，可以在特異性捕捉目標(biāo)疾病標(biāo)志物的同時(shí)通過其超親水水下超疏油的超潤濕特性和孔隙結(jié)構(gòu)阻隔樣本溶液中的非目標(biāo)分子，從而成功地抑制石墨烯表面非特異性吸附對(duì)傳感器響應(yīng)信號(hào)的干擾，同時(shí)其自清潔能力使得敏感層極易清洗，便于重復(fù)使用；（2）三維生物敏感性，可通過在高度維度上的疊加提高生物傳感器的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度；（3）高穩(wěn)定性，可在加熱80攝氏度半小時(shí)后仍然保持性能。

全血中水凝膠-石墨烯三維生物傳感器自過濾能力的表征

具有可調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度范圍的水凝膠-石墨烯三維生物傳感器

在此基礎(chǔ)上，該課題組開發(fā)了急性心梗快速篩查器件，可實(shí)現(xiàn)像家用血糖儀一樣，通過測(cè)量一滴血判定心梗風(fēng)險(xiǎn)，通過初步臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該器件可在7分鐘內(nèi)判定全血樣本是否為高風(fēng)險(xiǎn)樣本，準(zhǔn)確率高達(dá)94%。由于該器件兼具高穩(wěn)定性、小巧方便等特點(diǎn)，可應(yīng)用于家庭、社區(qū)對(duì)急性心梗的即時(shí)、即地快速篩查，有望大幅降低急性心梗的致死率。

三維生物傳感器對(duì)心肌梗塞病患生物標(biāo)志物快速準(zhǔn)確分析

總體來說，該生物傳感器構(gòu)型克服了使用石墨烯等高靈敏度材料作為導(dǎo)電溝道的傳感器難以在真實(shí)人體體液中進(jìn)行檢測(cè)的問題，可通過更換核酸適配體實(shí)現(xiàn)對(duì)更多疾病標(biāo)志物的檢測(cè)，且可通過調(diào)整核酸適配體濃度、三維敏感層厚度等方式調(diào)整傳感器敏感特性使其在臨界閾值濃度附近具有較高的靈敏度和增益，有望促進(jìn)石墨烯生物傳感器在個(gè)人醫(yī)療健康領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

相關(guān)成果于2022年5月以“Ultra-sensitive and rapid screening of acute myocardial infarction using 3D-affinity graphene biosensor”為題發(fā)表在Cell Reports Physical Science上，王子然博士是該論文的第一作者，潘昀路教授是該論文的通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)為該論文的通訊單位，同時(shí)該研究是在哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院楊春博士的大力支持下完成。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100855

審核編輯 ：李倩