面向活体分析的核酸适体电化学生物传感研究

化学是生命活动的物质基础. 在活体层次上精准获取生理活性分子的分布和含量的变化规律对于了解和研究生理和病理过程具有重要的意义. 电化学方法, 特别是基于核酸适体的电化学生物传感器, 由于兼具高特异性识别、检测对象广以及易于微型化等优良特性, 已成为复杂生理环境中实现快速、灵敏和高选择性检测的有效工具. 北京师范大学江迎课题组综述了核酸适体电化学生物传感器的设计以及在活体分析中的应用, 并对其未来发展趋势进行了展望.

化学是有机体开展一切生命活动的物质基础. 在活体层次实现对生理与疾病过程相关的化学物质的检测对了解生命体运行的分子机制、探索疾病发病机理、发展医学诊断、检测与治疗方法具有重要意义. 近年来, 国内外已开发了包括微透析技术、荧光成像技术以及电化学方法等在内的一系列检测手段用于活体层次的分析. 其中, 微透析技术由于可在不干扰体内正常生命过程的情况下进行实时、在体或在线取样, 特别适用于研究生命过程的动态变化. 与此同时, 高速发展的成像技术使得利用小分子荧光探针或可编码的荧光蛋白实现实时监测生物分子事件成为可能. 与这些技术相比, 电化学方法因具有识别灵敏、响应速度快、样本量要求小、易于小型化、与多重分析技术兼容等优点, 目前已成为活体分析研究的重要手段之一.

近年来, 电化学方法中伏安法和电位法在脑神经化学过程的研究中备受关注. 其中, 脉冲伏安法可有效抑制背景充电电流, 降低扩散层变化的影响, 具有灵敏度高、选择性高、可同时区分多种电化学活性物质等优势. 快速扫描循环伏安法(Fast-scan cyclic voltammetry, FSCV)因具有高时间分辨率, 被广泛应用于生理活性分子的活体原位分析. 通过对电极施加高扫速的三角波, 可实现对具有较快电子转移速率的电化学活性物质, 如儿茶酚胺类神经递质的选择性检测. 然而, 在复杂的生物环境中, 因蛋白质等生物大分子易于在电极表面非特异性吸附, 上述基于电流为输出信号的传感器在活体分析应用中常出现灵敏度降低、重现性差等问题. 近期提出的原电池型氧化还原电位法(Galvanic redox potentiometry, GRP)由于其检测灵敏度不依赖于电极的有效面积, 为神经化学物质活体原位电化学分析提供了新思路. 此外, GRP 电化学传感器检测过程中, 回路处于开路状态, 近乎零电流通过, 能够降低同步记录时产生噪音干扰, 特别适用于检测神经化学物质的动力学. 例如, Mao等人利用该方法在大鼠大脑皮层, 实现了全脑缺血/再灌注过程中脑内抗坏血酸(AA)的活体原位测定. 此外, 基于GRP原理的电化学传感器可与电生理记录高度兼容, 从而实现化学信号和电信号的同步记录. 通过合理设计和调节碳纤维两端的电化学反应, 该类传感可用于未来多种神经化学物质的活体在线监测.

近期, 得益于生物识别元件的不断发展, 尤其是核酸适体亲和配体研究的迅速发展, 面向活体层次的高选择性电化学生物传感研究迎来了新的机遇. 北京师范大学江迎课题组综述核酸适体电化学生物传感器(Electrochemical aptamer-based sensor, E-AB)的设计原理, 以及其活体分析化学应用进展, 并对其未来发展趋势进行展望.

  图1 面向活体分析的核酸适体电化学生物传感研究

该文将收录于《中国科学：化学》2022年第6期庆祝“北京师范大学建校120周年暨化学学科创立110周年专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：

李欣, 靳莹, 江迎*. 面向活体分析的核酸适体电化学生物传感研究. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2021-0269