【Biosens.Bioelectron】用于海鲜安全的基于适配体的纳米生物传感器|综述

用于海鲜安全的基于适配体的纳米生物传感器

Aptamer-based NanoBioSensors for seafood safety
Biosensors and Bioelectronics ( IF 12.545 ) 

Pub Date : 2022-10-07

DOI: 10.1016/j.bios.2022.114771

•本文首次对海产品中污染物的溶酶反应进行了综述。

•讨论了aptasensing法相对于其他分析方法的优点。

•介绍了应用适配传感器检测海产品污染物的原理。

•讨论了与重金属、抗生素、农药、病原体和生物毒素相关的核酸适配体。

•提出了该领域的现状和未来展望。

化学和生物污染物是确保海产品安全的首要问题，我们需要快速检测这些污染物，以保护我们不受影响。三十多年来，免疫测定(IA)技术一直被用于检测海产品中的污染物。然而，针对无法引起免疫应答的小分子靶点产生抗体的固有局限性，以及抗体在环境条件下的不稳定性，极大地限制了其在开发稳健检测和监测工具方面的更广泛应用，特别是在非生物医学应用方面。

作为一种替代方案，基于适配体的生物传感器(aptasensors)已经成为一种强大而稳健的分析工具，用于检测各种分析物。由于适配子在识别小分子到大蛋白甚至整个细胞的目标方面具有高度的特异性，这些适配子被认为是可行的分子识别元件(MREs)，用于开发新的诊断和生物传感工具，用于检测多种污染物，包括重金属、抗生素、农药、病原体和生物毒素。在这篇综述中，我们讨论了用于检测海产品中污染物的适体传感器领域的最新进展，以期有效地管理其对人类健康的潜在危害。本文还提供了一个关键的展望，以促进aptasensors从学术实验室到主流海鲜行业和消费者应用的翻译。

包括鳍鱼和贝类在内的海鲜被认为是动物蛋白的重要来源，估计占全球动物蛋白摄入量的约17%，占所有蛋白质的6.7%。人口的很大一部分依靠渔业来满足其生计和营养需求。然而，随着人类活动的不断增加，水生生态系统中农药、抗生素和重金属等污染物的水平正以惊人的速度上升。通过持续的生物浓缩和生物放大过程，这些污染物在鱼类中的水平已经变得极高。最终食用这些受污染的海产品已成为人类暴露于有害化学品的一个令人担忧的途径。

此外，海产品的致病性污染、随后产生的微生物毒素以及为延长产品保质期而使用防腐剂对人类健康构成进一步风险。因此，为了最大限度地减少健康风险和确保食品安全，对此类污染物的有效检测和监测比以往任何时候都更加重要。

图1：用于海鲜安全相关分析物检测的适体传感器的开发示意图。

在过去的十年中，已经开发出各种分析工具用于定性和定量检测海产品中的化学污染物。采用最广泛的方法是基于传统的色谱技术，包括高效液相色谱(HPLC)、液相色谱-质谱(LC-MS)、气相色谱-质谱(GC-MS)、紫外可见分光光度法(UV-vis)、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和毛细管电泳(CE)。其他更复杂的串联色谱技术，如LC-MS-MS和GC-ms-ms, GC红外(GC-ir)和液相色谱核磁共振波谱(LC-NMR)也可以检测食品污染物。然而，多步骤的提取程序、缓慢的反应时间和与仪器采购和操作相关的高成本是这些技术的一些关键限制。此外，庞大的基础设施和对分析技术专业知识的需求给现场测试带来了重大挑战，阻碍了传统分析技术的大规模部署。

为了解决这些技术固有的一些局限性，在过去十年中，基于抗体的免疫测定法快速发展，如放射性标记免疫测定法(RIA)、酶免疫测定法(EIA)和酶联免疫吸附测定法(ELISA) 。鉴于RIA的安全性问题，在20世纪70年代，EIA/ELISA被优先考虑作为快速检测污染物的主要工具之一，这消除了对放射性核素的需要，而放射性核素是使用RIA时的一个主要问题。

使用抗体作为分子识别元件(MRE)进行目标鉴定不仅可以快速检测水、流体、土壤和食物来源中的分析物，而且这种策略还可以与检测前的样品制备步骤相结合，如免疫亲和层析和流入注射免疫测定。然而，值得注意的是，这种免疫测定的成功需要产生对目标分析物具有高度特异性的抗体。抗体的产生通常需要用庚坦(含分析物和载体蛋白的偶联物)免疫动物。

在免疫之前，载体蛋白与分析物的结合至关重要，因为小化学分子通常不会产生产生抗体所需的免疫应答。除了这一限制外，与免疫测定相关的另一个主要问题是难以产生相同(单克隆)抗体，从而导致多克隆抗体。用同一半抗原进行免疫，即使是同一物种的动物也可能产生不同的抗体。此外，虽然单克隆抗体的生产是可能的，但杂交瘤技术的高成本也带来了自身的挑战。

图2：用于检测重金属的适配传感器。(A)基于盐诱导AuNPs聚集的As3+比色检测;(B)基于量子点聚集的As3+荧光检测;(C)基于FRET的Hg2+检测;(D) Pb2+的电化学发光传感器;(E) Cu2+的电化学检测。

即使产生了针对目标分析物的单克隆抗体，在传感器开发中使用抗体的另一个主要问题是抗体在环境条件(包括热、氧、pH和许多其他环境因素)下的稳定性差。由于这些缺陷，人们在寻找新的MREs方面付出了大量的努力，这些MREs既不存在这些缺陷，同时又保留了其高水平的目标识别特异性，用于开发新的生物传感器技术。为此，适配子已被认为是抗体的可行替代方案，不仅解决了抗体的一些主要缺陷，而且显示出高水平的靶点特异性。因此，使用适配子开发生物传感器(适配子传感器)来检测各种化学和生物实体(包括潜在的海产品污染物)的大量工作并不令人惊讶。

适配子是单链核酸分子，通常小于25 kDa，并通过形成精确的三维结构与目标分析物显示特异性结合亲和力。与传统的抗体MRE相比，适配子具有以下优势:(1)一旦找到适合的适配子，其合成成本非常低;(ii)适配子是寡核苷酸，在环境和高温下具有高稳定性;(iii)可产生对小分子靶点具有高亲和力和特异性的适配子，否则抗体不易识别;(iv)适配子通常无免疫原性和无毒，这扩大了其体内应用的潜力。

最常见的生成靶特异性适配子的方法依赖于一个称为配体指数富集系统进化(SELEX)的过程。自1990年首次介绍SELEX技术以来，该技术已被广泛应用于适配子的选择。SELEX过程由多个步骤组成，这些步骤重复多次，以搜索显示高靶标结合能力的短链(约20个碱基)寡核苷酸。适配子的选择和制备过程中的关键步骤如图1所示。

简而言之，在第一步中，构建单链寡核苷酸库，该库由随机序列和两侧有引物结合位点的区域组成。在下一步中，目标分析物将被公开给这个库，并且目标绑定的库组件将从未绑定的组件中分离出来。后续步骤包括扩增与目标结合的文库组分，以创建一个富含与目标分析物有一定亲和力的随机寡核苷酸的新文库。该富集文库随后被用于下一轮选择，同时在每一轮中增加目标寡核苷酸结合条件的严格程度。这一正在进行的选择过程允许高亲和力的适配子以一种简单而经济的方式被鉴定。在靶点特异性和选择性的背景下，如果设计得当，适配子可以比抗体和其他mre提供前所未有的性能。

例如，如果已知特定的干扰分子可能与目标分析物同时存在于样品中，则在SELEX过程中也可采用负向选择策略，其中富集的寡核苷酸文库暴露于干扰分子。在这种情况下，在靶分子和干扰分子之间显示交叉反应性的寡核苷酸被拒绝，只有那些对靶分析物显示高亲和力和选择性的寡核苷酸被选择为有前景的适配子。适配子的这些独特特性已被用于开发改良版的SELEX工艺，如Gold-SELEX，其中使用纳米颗粒来提高适配子选择的效率，特别是针对小分子靶点的效率。利用适配子作为MRE的生物传感器称为适配子传感器。

END

你和SCI只差一个关注！

推文合作

请扫码联系小编!

文章最底部“发消息”，小编在线可聊可撩~