急性心肌梗死（AMI）是我国致死率最高的疾病之一，约每20秒就有一名中国人死于急性心梗。AMI的诱因包括高血压、高血脂、过劳、烟酒、情绪激动、暴饮暴食、睡眠不足等等，高风险人群范围极大。与此同时，AMI对抢救时间极为敏感，通常发病6小时以内的救治最为有效。然而由于症状十分复杂，包括牙痛、头疼、肩胛骨疼痛甚至脚底疼痛等等都有可能是急性心梗的征兆，而其诊断仍然需要在大型医院进行血液化验和心脏彩超，流程复杂耗时长，同时造成了大量急性心梗患者因“怕麻烦”而耽误了治疗。基于以上因素，近年来我国AMI病例出现了年轻病例比例上升、非典型症状病例上升、死亡率上升等趋势，统计数据显示，从2002年起15年时间里，城市AMI死亡率上升了362%。
针对AMI最为理想的筛查方式应该是可以在任意时间、任意地点，快速获得结果。如果患者可以像使用家用血糖仪一样随时随地通过一滴血快速筛查AMI风险，可预见将极大的降低AMI致死的风险。然而虽然人体血液中含有针对AMI有着极高特异性的蛋白标志物（如心肌肌钙蛋白cTnI等），但是针对目前针对这些标志物的检测存在以下困难：1. 检测方法大多基于抗体，而抗体本身具有活性，其存储、使用往往需要较为严苛的医学环境，当储存温度过高时将很容易造成抗体失活，导致传感器失效。2. 检测流程中需要对血液进行预处理，以排除血液中大蛋白分子、脂类等对敏感过程的干扰。以上两点困难使得目前针对AMI的检测、筛查只能在较为完备的医疗环境中进行，而无法实现即时即地筛查或检测。
针对这些问题，哈尔滨工业大学潘昀路教授课题组近日提出了一种水凝胶-石墨烯三维生物传感器构型。该构型将超浸润多孔水凝胶、核酸适配体与石墨烯场效应管有机结合，利用高稳定性、高特异性的核酸适配体解决了抗体稳定性较差的问题；利用超浸润多孔水凝胶的自过滤、自清洁功能解决了血液中大分子蛋白和脂类对石墨烯敏感表面的影响；利用石墨烯场效应管实现了对表面微量蛋白浓度变化的高效敏感。与此同时，水凝胶-核酸适配体三维敏感层实现了敏感区域的三维化，一方面增强了传感器的整体增益，同时可通过控制三维敏感层厚度来调整传感器整体性能，使其在关键浓度区域具有较高的敏感能力。
具体而言，该传感器具有1）超浸润自过滤自清洁能力，水凝胶复合层使用丙烯酰胺单体和单链DNA适配体探针聚合形成三维‘海绵状’的孔隙结构，可以在特异性捕捉目标疾病标志物的同时通过其超亲水水下超疏油的超润湿特性和孔隙结构阻隔样本溶液中的非目标分子，从而成功地抑制石墨烯表面非特异性吸附对传感器响应信号的干扰，同时其自清洁能力使得敏感层极易清洗，便于重复使用；2）三维生物敏感性，可通过在高度维度上的叠加提高生物传感器的响应信号强度；3）高稳定性，可在加热80摄氏度半小时后仍然保持性能。
在此基础上，该课题组开发了急性心梗快速筛查装置，可实现像家用血糖仪一样，通过测量一滴血判定心梗风险，通过初步临床试验发现，该装置可在7分钟内判定全血样本是否为高风险样本，准确率高达94%，由于该装置兼具高稳定性，小巧方便等特点，可应用于家庭、社区对急性心梗的即时、即地快速筛查，有望大幅降低急性心梗的致死率。
该生物传感器构型克服了使用石墨烯等高灵敏度材料作为导电沟道的传感器难以在真实人体体液中进行检测的问题，可通过更换核酸适配体实现对更多疾病标志物的检测，且可通过调整核酸适配体浓度、三维敏感层厚度等方式调整传感器敏感特性使其在临界阈值浓度附近具有较高的灵敏度和增益，有望促进石墨烯生物传感器在个人医疗健康领域的进一步发展。
相关成果于2022年5月在《Cell reports physical science》上发表题为“Ultra-sensitive and rapid screening of acute myocardial infarction using 3D-affinity graphene biosensor”的文章，王子然博士是该论文的第一作者，潘昀路教授是该论文的通讯作者，哈尔滨工业大学为该论文的通讯单位，同时该研究是在哈尔滨医科大学附属第四医院杨春博士的大力支持下完成。《Cell Reports Physical Science》是Cell Press出版集团新晋高水平综合期刊，旨在报道物理、化学、材料科学、能源科学、工程以及交叉学科领域中的重大研究进展。
图1超浸润自过滤水凝胶-石墨烯三维生物传感器
图2未稀释的血清和全血中生物标志物检测：水凝胶-石墨烯三维生物传感器可以实现对cTnI的大范围检测，浓度响应区间可以实现从5 aM到1 nM，检测极限低至1.08×10-9 nM。同时，通过调节水凝胶-适配体层的厚度，传感器可以实现对不同浓度区间cTnI的快速响应，当厚度为1.4 mm时，传感器可以实现对目标物浓度从20 aM到1 nM的快速响应；而随着厚度增加至2 mm，传感器的饱和浓度明显提高，从而可以通过调节水凝胶-适配体层的厚度以调节传感器对cTnI的灵敏区间。
图3 水凝胶-石墨烯生物传感器可准确识别心肌梗塞病患的临床样本：三维水凝胶-石墨烯生物传感器可以实现对急性心梗患者临床样本的准确识别，准确率超过94%。在对51个临床样本进行检测后，通过与设定的参考样本的信号大小进行对比，传感器可以识别出样本中cTnI的浓度是否超过临床样本阳性的临界值，且仅需要7分钟即可完成，极大的节约了AMI患者的黄金抢救时间。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100855
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