导读

最近,瑞士洛桑联邦理工学院的科学家团队开发了几种基于抗体的生物传感器,可以用于患者血液中的药物浓度的检测。这种检测系统具有便携化、小型化的优势。患者自己在家中操作,五分钟内就可获得检测结果。

关键字

生物传感器、医疗设备、抗体、药物

背景

几乎每个人都会生过病,也都有过通过药物进行治疗的经历。然而,也许不少人并不知道:及时且有效地监测血液中的药物浓度,对于药物治疗而言,有着十分重要的意义。它可以帮助医生评价疗效或确定给药方案,使得给药方案更加个体化,提高药物治疗水平,达到临床上安全、有效、合理用药的目的。


然而,测定血液中的药物浓度,往往需要在医院的实验室进行,不仅需要借助一些昂贵、笨重的仪器和设备,而且还要专业技术人员的参与。这样一来,不仅成本较高,而且费时费力。特别是对于发展中国家或者贫困落后地区,医疗条件往往跟不上,由于缺乏这样的医疗设备,往往会对患者的医疗效果和生活质量造成一定程度的影响。


创新


最近,瑞士洛桑联邦理工学院的科学家们,通过他们创办的创业公司 LUCENTIX,开发出了一种与抗体相关的生物传感器。它可以通过自身颜色的改变,监测血液中的药物浓度。这套包含生物传感器的系统不仅适用于户外检测,而且也可以用于家庭检测。这项研究的论文发表于《应用化学》期刊上。


我们先通过下面这张图展示一下采样和分析的过程,但是要说明一下这幅图中的设备,是通过有线连接电脑传输分析数据的。

(图片来源于:LUCENTIX

通常情况下,在传感器获取到血液中的药物浓度信息后,它可以无线地传输给手机。在手机屏幕上,我们可以观察到测量结果,整个过程只需几分钟时间,十分便捷高效。


(图片来源于:LUCENTIX


说到这个生物传感器的开发,我们不得不提及瑞士洛桑联邦理工学院 Kai Johnsson 实验室,它以开发生物传感器而闻名,也正是该实验室的相关研究,催生了创业公司 LUCENTIX 。该公司开发了这种生物传感器,让患者能够利用这个系统,无需任何复杂的实验室设备,就可以很方便地测量药物浓度。


技术


下面我们先从技术的角度,看看这个生物传感器的组成。它由三个成分组成:


  • 和被测药物结合的蛋白质

  • 发光的荧光素酶

  • 标记的分子“SNAP-tag”,它携带有荧光配体。


在没有药物出现的时候,蛋白质可以识别这种荧光配体,并且与之结合。这就引起了荧光素酶和荧光分子之间的反应,也称为“生物荧光共振能量转移”(BRET),会产生出一种红光


然而,最近博士后 Lin Xue 所进行的创新,包括了利用针对靶向药物开发的抗体的一部分,取代生物传感器中的结合蛋白质。当生物传感器检测到患者血液或者唾液中的药物时,抗体会更倾向于与它结合,而不是和SNAP-tag的荧光配体结合。随着配体被取代,BRET 反应被逐步破坏,所以现在发出的是一种蓝光


也许,以下这幅图更好地展示了整个过程:

(图片来源于:瑞士洛桑联邦理工学院

下面这张图更反应出了这项技术可用于定量测量。随着药物浓度的变化,发出的光线颜色逐渐由红色过渡到蓝色。

(图片来源于:LUCENTIX


下面我们聊聊抗体在这项技术中起到的作用。所谓抗体,是一种由浆细胞(效应B细胞)分泌,被免疫系统用来鉴别与中和外来物质如细菌、病毒等的大型Y形蛋白质,仅被发现存在于脊椎动物的血液等体液中,及其B细胞的细胞膜表面。


所以,简单来说,抗体能够识别外来的细菌和病毒,并与之结合,让人体免疫系统与传染病作斗争。更进一步的说,产生抗体并用于明确区分小分子例如药物,是一种常规的方法。这套检测系统能够适用于几乎达无限数量的分子,所以患者可在家中进行自我检测,且能达到实验室级别的效果。


价值

通过抗体取代結合蛋白的方法,为生物传感器识别患者血液中的合成药物,搭建了一个通用管道。为了进行原理论证,科学家们在实验室中,成功地利用了这种新型传感器,测试了三种药物:甲氨蝶呤、茶碱和奎宁。


下一步,他们将优化和提高传感器的灵敏度,能够在临床样本中,准确地检测出纳摩尔甚至更低浓度的药物或者生物分子。


参考资料


【1】https://actu.epfl.ch/news/antibody-biosensor-offers-unlimited-point-of-care-/

【2】http://www.lucentix.ch/

【3】Lin Xue, Qiuliyang Yu, Rudolf Griss, Alberto Schena, Kai Johnsson. Bioluminescent antibodies for point-of-care diagnostics. Angewandte Chemie 16 May 2017. DOI: 10.1002/anie.201702403 http://dx.doi.org/10.1002/anie.201702403


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