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國(guó)外開(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)全天候生理功能監(jiān)測(cè)的新型生物傳感器

作者:劉小飛
來(lái)源:傳感器專家網(wǎng)
日期:2020-04-27 09:11:06
摘要:來(lái)自Galagan的BU實(shí)驗(yàn)室和波爾多大學(xué)的一組研究人員的靈感來(lái)自于一種商業(yè)上成功的生物識(shí)別設(shè)備,該設(shè)備可以全天候監(jiān)控生理功能:連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀,其主要任務(wù)是通過(guò)從感測(cè)到的微生物獲得的蛋白質(zhì)來(lái)執(zhí)行葡萄糖。

  想象一下,未來(lái)Fitbit所能測(cè)量的不僅是步數(shù)、心率和消耗的卡路里,它能持續(xù)跟蹤目前需要昂貴且耗時(shí)的血漿分析的所有生理健康指標(biāo),該設(shè)備便宜、可靠,并由我們?nèi)梭w每天全天生產(chǎn)的相同蛋白質(zhì)提供動(dòng)力。波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師詹姆士·加拉根(James Galagan)說(shuō),盡管按照今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),這聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)牽強(qiáng)的概念,但他在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的研究可以加快該設(shè)備從繪圖板到日常生活的速度。

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       第一個(gè)實(shí)時(shí)、光學(xué)且可逆的黃體酮傳感器

  來(lái)自Galagan的BU實(shí)驗(yàn)室和波爾多大學(xué)的一組研究人員的靈感來(lái)自于一種商業(yè)上成功的生物識(shí)別設(shè)備,該設(shè)備可以全天候監(jiān)控生理功能:連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀,其主要任務(wù)是通過(guò)從感測(cè)到的微生物獲得的蛋白質(zhì)來(lái)執(zhí)行葡萄糖。

  BU工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)副教授,團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Galagan說(shuō):“人體內(nèi)可能存在數(shù)百萬(wàn)種相似的蛋白質(zhì),他們幾乎可以感知到任何會(huì)影響我們健康的東西。目前我們沒(méi)有像葡萄糖傳感器這樣的更多傳感器的主要原因是,尚未發(fā)現(xiàn)制造這些傳感器所需的蛋白質(zhì)?!?/p>

  因此,加拉根(Galagan)的團(tuán)隊(duì),其中包括BU工程學(xué)院的教職員工Mark Grinstaff、Allison Dennis和Catherine Klapperich,著手尋找其中的幾個(gè)可用蛋白質(zhì)。他們的發(fā)現(xiàn)在《自然通訊》上發(fā)表的一篇論文中進(jìn)行了描述,該發(fā)現(xiàn)使用一種新穎的篩選方法來(lái)鑒定第一個(gè)已知的細(xì)菌衍生的傳感器,用于檢測(cè)孕酮,孕激素是一種女性生殖激素,在生殖中起著至關(guān)重要的作用。然后,該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了將傳感器的檢測(cè)功能轉(zhuǎn)換為光輸出的技術(shù),從而創(chuàng)建了第一個(gè)實(shí)時(shí)、光學(xué)且可逆的黃體酮傳感器。

  Galagan說(shuō),這種傳感器的可逆性使其能夠連續(xù)測(cè)量激素水平的變化,就像葡萄糖傳感器一樣,它還將傳感器與現(xiàn)有的基于孕激素的測(cè)量孕酮的方法區(qū)分開(kāi)來(lái),后者只能從單個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

  在使用人造尿液進(jìn)行的測(cè)試中,研究人員發(fā)現(xiàn),該傳感器可以配備價(jià)格低廉的便攜式電子閱讀器以用于即時(shí)醫(yī)療應(yīng)用,可以檢測(cè)出足以用于臨床的黃體酮,所有這些都表明它可能適合家庭使用,代替了許多體外受精過(guò)程中需要的基于實(shí)驗(yàn)室的孕酮測(cè)量測(cè)試。

       為開(kāi)發(fā)下一代生物傳感器設(shè)備奠定了基礎(chǔ)

  Galagan說(shuō),“這項(xiàng)研究的主要收獲是,這是我們可以獲取生物體、識(shí)別新的傳感蛋白、從細(xì)菌中分離出該蛋白并將其工程化為適用于以下方面的傳感器設(shè)備的第一個(gè)原理證明:據(jù)我們所知,這從來(lái)沒(méi)有做過(guò),新開(kāi)發(fā)的方法不使用細(xì)菌作為傳感器,相反,它會(huì)挖掘細(xì)菌中的蛋白質(zhì)部分,分離出這些部分,然后將它們轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜谠O(shè)備工程的傳感器。

  BU工程學(xué)院院長(zhǎng)Kenneth Lutchen說(shuō):“到目前為止,可穿戴技術(shù)主要集中在健康的宏觀[指標(biāo)]上,例如心率、血壓等,但是我們迫切需要在疾病造成危險(xiǎn)變化之前就預(yù)測(cè)疾病發(fā)生的方法。Galagan博士及其同事已經(jīng)證明了原理證據(jù),可以對(duì)健康狀況的微生物指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而可能徹底改變我們的健康狀況。原則上講,它們可以提供對(duì)疾病出現(xiàn)的特異性和敏感的早期洞察力,從而導(dǎo)致早期干預(yù),改善生活質(zhì)量,同時(shí)顯著降低醫(yī)療成本?!?/p>

  該論文的技術(shù)最近在新的BU Precision Diagnostics Center的啟動(dòng)研討會(huì)上進(jìn)行了展示,該論文為開(kāi)發(fā)更多基于同一類蛋白質(zhì)的傳感器設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。研究人員目前正在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā),以開(kāi)發(fā)固定和部署此類傳感器的技術(shù),并研究將其檢測(cè)功能轉(zhuǎn)換為直接電子信號(hào)的方法。

  Galagan說(shuō):“出于技術(shù)目的選擇生物學(xué)通常需要將生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光子或電子流,我們現(xiàn)在正在努力。”

  自從《自然通訊》報(bào)道了他們的突破以來(lái),研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了第二代方法,使他們能夠從復(fù)雜的微生物樣品而不是從單個(gè)培養(yǎng)細(xì)菌中篩選出部分。這種“元基因組”篩選可以搜索諸如土壤或我們自己的微生物組之類的東西,從本質(zhì)上為尋找傳感部件的研究人員提供了微生物的全部多樣性。并且由于該方法可以識(shí)別特定基因以及傳感蛋白,因此它使研究人員能夠以某種方式修飾轉(zhuǎn)錄因子,使其變得更強(qiáng)大或具有傳感其他化合物(如皮質(zhì)醇或雌激素)的能力。

  克拉珀里奇說(shuō):“目前,我們正在研究激素,但是這可以用于各種各樣的事情,我迫不及待地想把它擴(kuò)大到其他領(lǐng)域,未來(lái)的巨大挑戰(zhàn)是如何部署此類傳感器來(lái)監(jiān)控我們的健康和環(huán)境。他的團(tuán)隊(duì)希望利用世界各地實(shí)驗(yàn)室中建立的技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)廣泛的應(yīng)用程序:從感知珊瑚健康到使用無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)汗液和間質(zhì)液的生理變量。這實(shí)際上只是冰山一角,我們現(xiàn)在的定位是挖掘各種微生物,從而為廣泛的健康、生物技術(shù)和消費(fèi)者應(yīng)用設(shè)計(jì)傳感器。我們希望有一天,這些傳感器將在連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀旁邊的貨架上出售?!?/p>

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