基于CVD石墨烯的生物传感器在药物发现与开发中的作用

药物发现与开发是一个多学科领域，它架起了化学与生物学之间的桥梁，涉及众多科学学科的协作，旨在研发挽救生命的药物。尽管约25%的收入用于新药研发，但该过程依然成本高昂，自2020年以来，每项药物获批的平均成本高达61.6亿美元。即便投入巨资，仍有超过90%的临床药物研发最终以失败告终。然而，药物治疗依然至关重要，在76.2%的急诊就诊和71.2%的门诊就诊中发挥着作用。

这凸显了亟需创新方法来开发更有效的疗法，同时继续生产全球数百万患者所依赖的现有药物。从本质上讲，药物发现与开发远不止于掌握如何合成药物。科学家还必须理解这些药物在体内的作用机制，以确保其能发挥预期的治疗效果。这要求对药物剂量进行审慎考量，以在不越过毒性阈值的前提下实现最佳临床效果。在开发既有效又安全的药物时，平衡疗效与安全性至关重要。传统的药物发现与开发需要依赖集中式实验室，这大大增加了复杂性、成本和时间。

随着对更快、更高效药物发现的需求日益增长，人们对能够简化生物分子分析且无需依赖复杂实验室基础设施的技术需求也日益增加。基于石墨烯的传感平台，尤其是利用单层石墨烯薄膜的平台，已成为检测生物分子及其与潜在候选药物相互作用的极具前景的解决方案。

通过化学气相沉积（CVD）制备的单层石墨烯薄膜被广泛应用于石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器平台的制造。

采用CVD工艺制备的石墨烯薄膜具有高长宽比和广阔的表面功能化潜力，使其成为促进生物分子锚定和检测的理想基底。单层CVD石墨烯出色的电导率、载流子迁移率和载流子浓度，使其在生物分子与石墨烯表面结合时能够产生高度灵敏的检测响应。GFET生物传感器提供的无标记检测技术，为量化生物分子相互作用提供了一种前所未有的工具，且无需复杂的实验室设备和流程。

在此，我们重点介绍利用CVD石墨烯生物传感器探究生物分子相互作用并辅助评估潜在候选药物的最新方法。

了解生物分子如何与目标生物分子结合

免疫反应表现形式多样。虽然合成药物旨在辅助人体天然防御机制，但了解人体天然生物分子与外来物质的相互作用，有助于开发出兼容性强且安全可靠的药物。

GFET（场效应晶体管）具有独特的特性，能够对抗体、蛋白质、DNA、RNA、细菌以及各种有机配体等不同生物分子的结合动力学提供无标记且微型化的检测能力。

在不同环境条件下定量分析各类生物分子间的相互作用，对于开发新的药物靶点和精准医疗方案至关重要。GFET传感器凭借其独特特性，能够以高精度解析这些相互作用。当生物分子接近传感表面时，电荷分布的变化会导致单层化学气相沉积（CVD）石墨烯薄膜的整体电导率发生可测量且可检测的变化。该电荷分布机制同样被用于表征分子结合相互作用。

由于化学气相沉积（CVD）石墨烯薄膜具有超薄特性，GFET传感器在分子结合测量方面具有高灵敏度、低噪声和高可靠性。与其他诊断平台不同，它们无需额外的信号校正或放大组件。CVD石墨烯的高载流子迁移率使其响应时间比现有方法（如表面等离子体共振（SPR））更快，响应时间以毫秒为单位，而非秒。

用于类球体测试的柔性GFET

细胞间通信驱动着体内许多关键功能，而理解非原生细胞（如癌细胞或病变细胞）中的这些信号通路，是推进新疗法发展的关键。

类球体是一种三维细胞聚集体，通常用于药物研究，以模拟体内三维组织环境或体内的微肿瘤环境。在药物研究中，与传统的二维培养相比，类球体提供了更准确的人体组织模型，有助于研究人员更好地理解药物在真实场景中的作用。

GFET可集成到“电子芯片上的器官”（organ-on-e-chip）平台中，用于理解细胞间的电信号转导，并研究电信号与疾病之间的关系。了解这些电信号有助于评估不同药物制剂对特定疾病的疗效。

柔性GFET使传感器能够包裹在类器官球体表面，从而使传感平台能够进行三维电学测量，而其他传感器则仅能以二维形式进行测量。GFET的三维测量能力为类器官研究提供了更可靠、更精确的传感平台，这有助于推进癌症及各类疾病的药物研发，以及针对心律失常等病症的治疗方案开发。

检测蛋白质生物标志物以评估癌症治疗疗效

蛋白质是最常被研究的生物标志物之一，识别疾病或癌症特异性蛋白抗原使科学家能够监测治疗效果。对这些生物标志物的深入理解也有助于开发靶向疗法，这些疗法能够与病原体结合并针对其根本病因进行治疗。

检测血清中的蛋白质生物标志物比其他方法更快、更具成本效益，有助于在整个治疗过程中更好地监测药物的疗效。目前能以高灵敏度（ng/ml）检测血清中生物标志物的传感器并不多。然而，由于其具备检测ng/ml级生物标志物浓度的潜力，GFETs已成为一种极具吸引力的选择。

石墨烯的活性表面可通过功能化修饰结合癌症特异性抗体，例如用于检测前列腺癌蛋白生物标志物的前列腺特异性抗原（PSA）和单克隆抗体（mAbs）。检测这些抗原不仅可用于评估癌症治疗效果，还能用于设计能与癌细胞/病变细胞表面蛋白有效结合的新型药物。

一旦抗原捕获抗体，GFET的电导率便会发生变化，从而激活检测机制。化学气相沉积（CVD）石墨烯薄膜的活性特性，为检测各类疾病及癌症抗原提供了广泛的表面修饰可能性。

抗真菌药物的治疗药物监测

了解药物的药代动力学特征对于治疗患者至关重要。然而，危重患者的药物浓度和药代动力学特征可能存在巨大差异。治疗药物监测（TDM）常用于随时间推移监测患者的血液浓度，以确定所用药物发挥疗效的剂量范围。

TDM 需要通过捕获药物分子并将其分离进行分析，从而实现定期药物监测。近年来，GFET 作为一种高灵敏度的检测手段，已用于测定多种抗真菌药物（如泊沙康唑、氟康唑、伏立康唑和伊曲康唑）的药代动力学特征，其提供的更快、更准确的分析结果，为制药公司开发新药制剂提供了更深入的见解。

大多数TDM传感器依赖电解质溶液的流动、抗体的结合或荧光标记来工作。相比之下，GFETs具有经适配体修饰的CVD石墨烯表面，这些适配体充当“捕获臂”。这些适配体从样本中捕获药物分子。当药物分子与功能化CVD石墨烯结合时，这种相互作用会导致电流和栅极电压发生变化，从而实现药物浓度的测定。与其他TDM传感器不同，GFETs无需二次抗体、荧光染料或电化学介质即可工作。

为生物传感需求选择合适的石墨烯

制药和医疗等高度受监管的行业依赖于严格的法规，以确保患者的安全与健康。目前存在多种形式的石墨烯可用于开发生物传感器，这些传感器能够对生物分子结合事件产生可测量的响应，但由于存在缺陷，传感性能往往受到影响。

由于其低缺陷的特性，化学气相沉积（CVD）石墨烯因能实现高性能的GFET生物传感器平台而广受青睐。GFET平台还提供了一种经济且紧凑的设备，无需依赖集中化的实验室检测。

尽管CVD石墨烯常被视为昂贵的材料，但General Graphene已开发出专有的CVD石墨烯生产技术，为合作伙伴和协作方提供了一条路线图，能够以实惠的价格大规模供应高质量的CVD石墨烯材料，从而降低成本并加速经济型石墨烯生物传感器平台的开发。

您是否希望通过更精确地建模和监测生物相互作用来推动药物研发？请联系我们，了解基于 CVD 石墨烯的生物传感器如何支持更高效的药物发现流程，并实现可靠的健康监测解决方案。