在医疗诊断领域，快速、准确且经济实惠的检测手段一直是人们追求的目标。近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员取得了一项突破性进展，他们开发出了一种基于DNA涂层电极的新型电化学传感器，为实现低成本、长效期的疾病检测带来了曙光。这项技术不仅有望革新传统的疾病诊断方式，还可能在资源匮乏地区实现便捷的即时检测，甚至走进家庭，让人们在家中就能进行自我检测。
DNA涂层电极：一种新型的疾病检测平台
这种新型电化学传感器的核心在于其独特的DNA涂层电极。研究人员将DNA分子固定在廉价的金箔电极上，再将电极层压到塑料片上，从而构建出一种简单而高效的生物传感器。这种传感器的工作原理是利用CRISPR基因编辑系统中的DNA切割酶。当传感器遇到目标分子，如癌基因时，该酶会被激活，像割草机一样非特异性地切割电极上的DNA，从而改变电信号。通过检测电信号的变化，即可判断目标分子的存在。
解决稳定性难题：聚合物涂层的妙用
然而，传统的DNA传感器存在一个主要的局限性：DNA涂层不稳定，容易分解，导致传感器无法长期储存，且对储存条件要求苛刻。这大大限制了其应用范围。为了解决这个问题，MIT的研究人员巧妙地利用了一种名为聚乙烯醇（PVA）的聚合物对DNA进行涂层保护。PVA成本低廉，只需不到1美分即可完成涂层。它像一层“防水布”一样，保护着下面的DNA，形成一道坚固的屏障，有效防止活性氧等有害物质对DNA的损害，从而延长了传感器的保质期。
实验结果表明，经过PVA涂层处理后，DNA传感器的稳定性显著提高，即使在高达150华氏度的温度下，也能储存长达两个月之久。储存后，传感器仍能有效检测到前列腺癌基因PCA3，这是一种常用于诊断前列腺癌的标志物。这一突破为DNA传感器的广泛应用扫清了障碍。
成本优势与应用前景
除了稳定性优势外，这种DNA传感器的另一大亮点是其低廉的成本。据估计，每个传感器的制造成本仅为50美分左右。这种低成本的优势使得该技术非常适合在资源匮乏地区推广应用，为当地居民提供可负担的疾病诊断服务。
MIT化学工程系的Paul M. Cook职业发展助理教授Ariel Furst强调，他们的目标是开发一种能够即时使用的传感器，让人们无需前往诊所，在家中即可进行检测。这种传感器可以与尿液、唾液或鼻拭子等多种样本配合使用，具有广泛的应用前景。研究人员希望利用该技术开发出更廉价的传染病（如HPV或HIV）诊断方法，并用于应对新兴传染病。
技术商业化：成立创业公司
为了进一步推动这项技术的商业化，Furst实验室的一个研究小组已成功入选MIT的学生风险投资加速器delta v。他们计划成立一家创业公司，专注于DNA传感器的进一步开发和应用。随着传感器保质期的大幅延长，他们希望能够将传感器运送到世界各地，利用患者样本进行实地测试。
Furst表示，他们之前的限制在于必须在现场制造传感器，但现在有了聚合物保护技术，他们可以将传感器运送到任何地方，无需冷藏，从而能够在更恶劣或非理想的环境中进行测试。这无疑为该技术的推广应用打开了新的局面。
技术细节：电化学传感器的原理
电化学传感器的工作原理是通过测量目标分子与酶相互作用时电流的变化。葡萄糖 मीटर就是利用这种技术来检测血液样本中葡萄糖的浓度。Furst实验室开发的电化学传感器由附着在廉价金箔电极上的DNA组成，电极层压在塑料片上。DNA通过一种含硫分子（硫醇）附着在电极上。
在2021年的一项研究中，Furst的实验室证明，他们可以使用这些传感器来检测来自HIV和人乳头瘤病毒（HPV）的遗传物质。传感器使用引导RNA链检测其目标，引导RNA链可以被设计成与几乎任何DNA或RNA序列结合。引导RNA与一种名为Cas12的酶相连，当它被激活时，会非特异性地切割DNA，与用于CRISPR基因组编辑的Cas9酶属于同一蛋白质家族。
如果目标存在，它会与引导RNA结合并激活Cas12，然后切割附着在电极上的DNA。这改变了电极产生的电流，可以使用电位器（与手持式葡萄糖मीटर中使用的技术相同）进行测量。
PVA聚合物：保护DNA的“防水布”
在新研究中，研究人员发现，他们可以通过用一种名为聚乙烯醇（PVA）的聚合物涂覆DNA来提高DNA的稳定性。这种聚合物的成本低于每次涂覆1美分，就像一层“防水布”，可以保护下面的DNA。一旦沉积到电极上，聚合物就会干燥形成保护性薄膜。
Furst说，一旦干燥，它似乎就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，例如可能损害DNA本身或破坏与金的硫醇键并将DNA从电极上剥离的活性氧。
实际应用：成功检测前列腺癌基因
研究人员表明，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，这是一种可以在尿液中发现的前列腺癌基因。
这种类型的测试可以与各种样本一起使用，包括尿液、唾液或鼻拭子。研究人员希望使用这种方法开发出更便宜的传染病（如HPV或HIV）诊断方法，这些方法可以在医生办公室或家中使用。研究人员说，这种方法也可以用于开发新兴传染病的测试。
研究团队与未来展望
这项研究由MIT研究生Xingcheng Zhou领导，并于6月30日发表在《ACS传感器》杂志上。其他作者包括MIT本科生Jessica Slaughter、Smah Riki和研究生Chao Chi Kuo。该研究得到了MIT研究支持委员会和MathWorks奖学金的部分资助。
展望未来，研究人员希望继续改进DNA传感器的性能，并扩大其应用范围。他们计划与更多的临床机构合作，利用患者样本进行实地测试，以验证传感器的有效性和可靠性。此外，他们还希望探索将该技术应用于其他疾病的诊断，例如心血管疾病和神经退行性疾病等。相信在不久的将来，这种低成本、长效期的DNA传感器将为医疗诊断领域带来一场深刻的变革，为人类健康保驾护航。
