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、暴飲暴食、睡眠不足等等，高風險人群范圍極大。與此同時，AMI對搶救時間極為敏感，通常發(fā)病6小時以內(nèi)的救治最為有效。然而由于癥狀十分復雜，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)院進行血液化驗和心臟彩超，流程復雜耗時長，同時造成了大量急性心梗患者因“怕麻煩”而耽誤了治療?；谝陨弦蛩兀陙砦覈鳤MI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，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從2002年起15年時間里，城市AMI死亡率上升了362%。

針對AMI最為理想的篩查方式應該是可以在任意時間、任意地點，快速獲得結果。如果患者可以像使用家用血糖儀一樣隨時隨地通過一滴血快速篩查AMI風險，可預見將極大的降低AMI致死的風險。然而雖然人體血液中含有針對AMI有著極高特異性的蛋白標志物（如心肌肌鈣蛋白cTnI等），但是針對目前針對這些標志物的檢測存在以下困難：（1）檢測方法大多基于抗體，而抗體本身具有活性，其存儲、使用往往需要較為嚴苛的醫(yī)學環(huán)境，當儲存溫度過高時將很容易造成抗體失活，導致傳感器失效；（2）檢測流程中需要對血液進行預處理，以排除血液中大蛋白分子、脂類等對敏感過程的干擾。以上兩點困難使得目前針對AMI的檢測、篩查只能在較為完備的醫(yī)療環(huán)境中進行，而無法實現(xiàn)即時即地篩查或檢測。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決上述這些問題，哈爾濱工業(yè)大學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型。該構型將超浸潤多孔水凝膠、核酸適配體與石墨烯場效應管有機結合，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石墨烯敏感表面的影響；利用石墨烯場效應管實現(xiàn)了對表面微量蛋白濃度變化的高效敏感。與此同時，水凝膠-核酸適配體三維敏感層實現(xiàn)了敏感區(qū)域的三維化，一方面增強了傳感器的整體增益，同時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”的孔隙結構，可以在特異性捕捉目標疾病標志物的同時通過其超親水水下超疏油的超潤濕特性和孔隙結構阻隔樣本溶液中的非目標分子，從而成功地抑制石墨烯表面非特異性吸附對傳感器響應信號的干擾，同時其自清潔能力使得敏感層極易清洗，便于重復使用；（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信號強度；（3）高穩(wěn)定性，可在加熱80攝氏度半小時后仍然保持性能。

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)檢測靈敏度范圍的水凝膠-石墨烯三維生物傳感器

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

三維生物傳感器對心肌梗塞病患生物標志物快速準確分析

總體來說，該生物傳感器構型克服了使用石墨烯等高靈敏度材料作為導電溝道的傳感器難以在真實人體體液中進行檢測的問題，可通過更換核酸適配體實現(xiàn)對更多疾病標志物的檢測，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，有望促進石墨烯生物傳感器在個人醫(yī)療健康領域的進一步發(fā)展。

相關成果于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)大學為該論文的通訊單位，同時該研究是在哈爾濱醫(yī)科大學附屬第四醫(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