在医疗诊断领域，快速、经济且易于使用的检测手段一直是研究人员和临床医生的追求目标。近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员在《ACS Sensors》期刊上发表了一项创新性研究，展示了一种基于DNA涂层电极的新型电化学传感器，该传感器不仅成本低廉，而且具有较长的保质期，为多种疾病的检测提供了新的可能性。
这种新型传感器的核心在于利用CRISPR基因编辑系统中的DNA切割酶。当传感器检测到目标分子，如癌基因时，该酶会像割草机一样，非特异性地剪切电极上的DNA，从而改变产生的电信号。通过测量电信号的变化，即可实现对疾病的诊断。
然而，传统的DNA传感器存在一个主要问题：DNA涂层不稳定，容易分解，导致传感器保质期短，存储条件苛刻。为了解决这一难题，MIT的研究人员采用了一种名为聚乙烯醇（PVA）的聚合物涂层来稳定DNA。实验结果表明，这种涂层能够有效保护DNA，使传感器在高达150华氏度的温度下，仍能稳定存储长达两个月。
这种DNA传感器的制造成本仅为50美分左右，为资源匮乏地区的疾病诊断提供了一种经济实惠的解决方案。MIT化学工程助理教授Ariel Furst表示：“我们的重点是开发更多人能够负担和使用的诊断工具，我们的目标是创造一种即时可用的传感器，人们甚至不需要去诊所就可以在家中使用它。”
技术原理与创新点
电化学传感器的工作原理是通过测量电流的变化来检测目标分子与酶之间的相互作用。这种技术已广泛应用于血糖仪等设备中。MIT研究团队开发的电化学传感器由附着在廉价金箔电极上的DNA组成，金箔电极则层压在塑料片上。DNA通过一种含硫分子（硫醇）连接到电极上。
该团队在2021年的一项研究中已证明，这种传感器可用于检测HIV和人乳头瘤病毒（HPV）的遗传物质。传感器通过向导RNA链识别目标，该RNA链可被设计为与几乎任何DNA或RNA序列结合。向导RNA与Cas12酶相连，Cas12酶在激活后会非特异性地切割DNA。Cas12酶与用于CRISPR基因组编辑的Cas9酶属于同一蛋白质家族。
如果目标分子存在，它会与向导RNA结合并激活Cas12，进而切割附着在电极上的DNA。这会改变电极产生的电流，电流的变化可以通过电位器测量。Furst解释说：“如果Cas12被激活，它就像一个割草机，会切断电极上的所有DNA，从而关闭信号。”
聚合物涂层的保护机制
在之前的设备版本中，DNA必须在使用前添加到电极上，因为DNA的稳定性不高。在新研究中，研究人员发现，通过用聚乙烯醇（PVA）涂覆DNA，可以提高DNA的稳定性。这种聚合物的成本低于每次涂层1美分，它可以像防水布一样保护下面的DNA。一旦沉积到电极上，聚合物干燥后会形成一层保护性薄膜。
Furst表示：“一旦干燥，它似乎形成了一个非常强大的屏障，可以抵抗可能损害DNA的主要因素，如活性氧。活性氧会损害DNA本身，或者破坏硫醇与金之间的键，从而将DNA从电极上剥离。”
实验验证与应用前景
研究人员的实验结果表明，这种涂层可以保护传感器上的DNA至少两个月，并且可以承受高达约150华氏度的温度。两个月后，他们冲洗掉聚合物，并证明传感器仍然可以检测到PCA3，这是一种在前列腺癌诊断中常用的前列腺癌基因，通常存在于尿液中。
这种检测方法可用于各种样本，包括尿液、唾液或鼻拭子。研究人员希望利用这种方法开发出更便宜的传染病（如HPV或HIV）诊断方法，这些诊断方法可在医生办公室或家中进行。研究人员还表示，这种方法也可用于开发针对新兴传染病的检测方法。
Furst实验室的一组研究人员最近被麻省理工学院的学生风险投资加速器delta v录取，他们希望在那里成立一家初创公司，以进一步开发这项技术。现在，研究人员可以制造出保质期更长的检测工具，他们希望开始将这些工具运送到可以使用患者样本进行测试的地点。
“我们的目标是继续在真实环境中用患者样本针对不同的疾病进行测试，”Furst说。“我们之前的限制是，我们必须在现场制造传感器，但现在我们可以保护它们，我们可以运输它们。我们不需要冷藏。这使我们能够进入更多崎岖或非理想的测试环境。”
实际应用案例分析
假设一家位于非洲偏远地区的诊所，由于缺乏冷藏设备和稳定的电力供应，传统的诊断试剂往往难以保存和使用。有了这种新型DNA传感器，医务人员可以直接从MIT的研究团队订购传感器，无需担心运输和存储问题。当需要进行检测时，只需将传感器与患者的尿液样本接触，然后使用便携式电位器读取电信号，即可快速诊断前列腺癌。这种方法的便捷性和低成本，将大大提高当地的医疗水平。
再比如，在一些发展中国家，HIV的早期诊断仍然面临许多挑战。传统的HIV检测方法需要专业的实验室设备和 trained personnel，这在资源有限的地区是难以实现的。而基于DNA传感器的快速检测工具，可以在社区卫生中心或甚至在患者家中进行，从而大大提高了HIV的早期诊断率，有助于控制疫情的蔓延。
未来发展方向
尽管这项研究取得了显著的进展，但仍然存在一些挑战需要克服。例如，如何进一步提高传感器的灵敏度和特异性，以减少假阳性和假阴性的可能性？如何开发出更加简便易用的电位器，使其能够更好地适应非专业人员的操作？如何将这种技术应用于更多疾病的诊断，如结核病、疟疾等？
未来的研究方向可以包括以下几个方面：
- 优化聚合物涂层：探索新型聚合物材料，以进一步提高DNA的稳定性，延长传感器的保质期。
- 改进电极设计：采用纳米材料或微流控技术，以提高电极的表面积和反应效率，从而提高传感器的灵敏度。
- 开发多重检测平台：将多个传感器集成到一个平台上，以实现对多种疾病的同时检测，提高诊断效率。
- 智能化数据分析：利用人工智能技术，对电信号进行分析和处理，以提高诊断的准确性和可靠性。
总结与展望
MIT研究团队开发的这种新型DNA传感器，为疾病诊断领域带来了一场革命。它不仅具有成本低廉、保质期长的优点，而且可以应用于多种疾病的检测。随着技术的不断发展和完善，相信这种传感器将在未来的医疗领域发挥越来越重要的作用，为人类的健康事业做出更大的贡献。
这项研究的成功，也为其他领域的传感器开发提供了借鉴。例如，在环境监测领域，可以利用类似的原理开发出用于检测水质和空气质量的传感器；在食品安全领域，可以开发出用于检测食品中污染物和添加剂的传感器。相信在不久的将来，传感器技术将在我们生活的各个方面发挥越来越重要的作用。
