近日，福彩3d太湖钓叟坪山中心生物研究部联合北京大学深圳研究生院张敏课题组、深圳市人民医院叶喜阳课题组在Advanced Materials （影响因子29.4）和Talanta（影响因子6.1）上分别发表题为“Multi-body Biomarker Entrapment System: An All-encompassing Tool for Ultrasensitive Disease Diagnosis and Epidemic Screening”和“A Triple-Aptamer Tetrahedral DNA Nanostructures Based Carbon-Nanotube-Array Transistor Biosensor for Rapid Virus Detection”的文章，成功实现了基于碳纳米管和DNA四面体支架结构的生物传感器对不同生物大分子的超灵敏定量检测。
碳基晶体管型生物传感器具有高度集成、超高灵敏度、低成本和快速响应的特点，被视为下一代医学检测的潜在候选者，具有重要的商业化潜力。然而，常规生物传感器在捕获特定分析物后的转导能力有限。这主要归因于探针形貌不理想、有效密度较低以及非特异性吸附等多方面，这进一步影响了识别位点与目标分析物的相互作用。此外，在全球公共卫生领域，广谱疾病的有效检测至关重要，例如传染性疾病如SARS-CoV-2和猴痘病毒以及非传染性疾病如癌症。因此，传感器的设计需要考虑多功能性，能够快速全面地筛查海关和公共交通枢纽中的疫情，并及时对可能造成广泛危害的疾病进行临床诊断。
第一项工作中“Multi-body Biomarker Entrapment System: An All-encompassing Tool for Ultrasensitive Disease Diagnosis and Epidemic Screening”，我们模仿双头蛇特征开发了一种生物分子诱捕系统（Biomolecular Entrapment System, BioES）。该系统由碳纳米管晶体管、四面体DNA纳米结构、Y形核酸悬臂和具有生物识别能力的结合位点组成，具有强大的生物分子捕获能力。基于BioES，本研究成功实现了对子宫内膜异位症生物标志物ERβ的超灵敏定量，检测限可低至6.74 aM。BioES表现出对子宫内膜异位症患者和卵巢囊肿患者具有明显的响应区分度。该系统为子宫内膜异位症的标准化诊断方案开辟了新的途径。
BioES结构图及子宫内膜异位症临床诊断流程
并且将BioES平台从多体进化为多位点模式，通过在不同的识别位点修饰两种抗体Clon 19和Clon 43，首次实现了对猴痘病毒抗原蛋白A35R的超灵敏检测。双重识别位点的协同作用和增强的识别效率使得BioES能够在血清中特异性地识别A35R，检测限降低至991 aM。此外，我们成功展示了多位点BioES在核酸检测和早期癌症筛查中的实际应用。通过对核酸结合位点的修饰，BioES能够以低至0.21 aM的检测限在血清中捕获与三阴性乳腺癌相关的循环肿瘤DNA（ctDNA）。BioES的创新应用不仅为临床医学领域带来了突破性进展，同时也为全球公共卫生领域的流行病监测和疾病防控提供了新的工具和方法。
猴痘病毒抗原蛋白及循环肿瘤DNA超灵敏检测
第二项工作“A Triple-Aptamer Tetrahedral DNA Nanostructures Based Carbon-Nanotube-Array Transistor Biosensor for Rapid Virus Detection”则首次展示了碳纳米管阵列的薄膜晶体管(CNT-array-based TFT)生物传感器与四面体DNA纳米结构(TDN)、以及三种适配体结合后对SARS-CoV-2抗原的快速检测。与基于CNT网络的TFT生物传感器和基于金属电极的CNT-TFT生物传感器相比，基于CNT阵列的TFT生物传感器对SARS-CoV-2受体结合域(RBD)的检测响应可高达102%。将TDNs与三种适配体结合后，该生物传感器的蛋白质捕获效率进一步提升，其对野生型SARS-CoV-2 RBD的检测范围可达8个数量级，最低检测限（LOD）为10aM (6 copies/µL)。此外，该平台还实现了对Omicron亚型RBD的超灵敏检测（LOD可低至6 aM (3.6 copies/µL)），且表现出良好的特异性。总之，该平台为SARS-CoV-2的检测提供了一种高效、快速的方法，且仅需替换适配体类型，即可实现多种类病毒的快速检测。
碳纳米管阵列TFT生物传感器示意图
这两项工作由福彩3d太湖钓叟坪山生物医药研发转化中心生物研究部与北京大学深圳研究生院信息工程学院、以及深圳市人民医院合作完成。信息工程学院2020级硕士生任沁琦（指导老师：张敏副教授），化学生物学与生物技术学院2020级博士生姜乐盈（指导老师：李子刚教授/尹丰研究员），信息工程学院博士后马珅慧，福彩3d太湖钓叟坪山中心张亚萍助理研究员对上述两项工作做出重要贡献。坪山中心硕士生邢韵、暨南大学硕士生李彤、信息工程学院硕士生祝洋、邱睿也参与了上述工作。
上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会基础研究项目、国家生物药技术创新中心创新项目的支持。
原文信息：
撰稿 | 姜乐盈 任沁琦
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