阿里爾・弗斯特實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電化學(xué)傳感器由附著在廉價(jià)金箔電極上的 DNA 組成，該電極被層壓在塑料片上。圖片來源：研究人員提供；麻省理工學(xué)院新聞編輯

麻省理工學(xué)院的研究人員利用涂有 DNA 的廉價(jià)電極，設(shè)計(jì)出可一次性使用的診斷工具，這種工具經(jīng)調(diào)整后可檢測多種疾病，包括癌癥或流感、艾滋病等感染性疾病。

這些電化學(xué)傳感器利用了 CRISPR 基因編輯系統(tǒng)中的 DNA 切割酶。當(dāng)該酶檢測到癌基因等目標(biāo)時(shí)，會(huì)開始非特異性地從電極上剪切 DNA，如同割草機(jī)割草般改變產(chǎn)生的電信號(hào)。

這類傳感技術(shù)的主要局限在于覆蓋電極的 DNA 會(huì)快速分解，導(dǎo)致傳感器無法長期儲(chǔ)存且儲(chǔ)存條件嚴(yán)苛，限制了使用場景。在一項(xiàng)新研究中，MIT 研究人員通過聚合物涂層穩(wěn)定 DNA，使傳感器可儲(chǔ)存長達(dá)兩個(gè)月，甚至在高溫環(huán)境下仍能保持性能。儲(chǔ)存后，傳感器成功檢測到常用于前列腺癌診斷的基因。

該研究資深作者、MIT 化學(xué)工程系保羅・M・庫克職業(yè)發(fā)展助理教授阿里爾・弗斯特表示，這種基于 DNA 的傳感器成本僅約 50 美分，可能為資源匱乏地區(qū)提供更經(jīng)濟(jì)的疾病診斷方案。
“我們關(guān)注的是多數(shù)人難以獲取的診斷工具，目標(biāo)是開發(fā)即用型傳感器。人們無需前往診所，在家即可完成檢測�！� 弗斯特說。

MIT 研究生周興成是發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)・傳感器》期刊論文的第一作者，其他作者包括 MIT 本科生杰西卡・斯勞特、2024 屆學(xué)生斯馬赫・里基和研究生郭昭志。

廉價(jià)的傳感器

電化學(xué)傳感器通過測量目標(biāo)分子與酶相互作用時(shí)的電流變化實(shí)現(xiàn)檢測，與血糖儀檢測血樣中葡萄糖濃度的技術(shù)原理相同。

弗斯特實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)如下：DNA 通過含硫分子（硫醇）附著在廉價(jià)金箔電極上，電極被層壓至塑料片。2021 年的研究顯示，該傳感器可檢測 HIV 和人乳頭瘤病毒（HPV）的遺傳物質(zhì)。其工作機(jī)制為：引導(dǎo) RNA 鏈設(shè)計(jì)成能結(jié)合任意 DNA/RNA 序列，與 Cas12 酶相連（Cas12 與 CRISPR 基因編輯的 Cas9 同屬蛋白質(zhì)家族，激活后可非特異性切割 DNA）。

當(dāng)目標(biāo)存在時(shí)，會(huì)與引導(dǎo) RNA 結(jié)合并激活 Cas12，進(jìn)而切割電極上的 DNA，改變電極電流，該電流可通過恒電位儀（與手持血糖儀技術(shù)相同）測量。
“Cas12 激活時(shí)就像割草機(jī)，切斷電極上所有 DNA，從而關(guān)閉信號(hào)。” 弗斯特比喻道。

突破性的穩(wěn)定性提升

早期傳感器版本中，DNA 需在使用前即時(shí)添加，因 DNA 穩(wěn)定性差。新研究中，團(tuán)隊(duì)用聚乙烯醇（PVA）聚合物涂層提升 DNA 穩(wěn)定性 —— 每次涂層成本不足 1 美分，干燥后形成保護(hù)膜，猶如 “防水布” 阻擋活性氧等破壞因素（活性氧會(huì)損傷 DNA 或破壞金硫鍵導(dǎo)致 DNA 脫落）。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該涂層使傳感器在高達(dá) 150 華氏度環(huán)境下仍可儲(chǔ)存至少兩個(gè)月。儲(chǔ)存期滿后，沖洗掉聚合物，傳感器仍能檢測尿液中的前列腺癌基因 PCA3。

應(yīng)用前景與商業(yè)化探索

這類檢測可適配尿液、唾液、鼻拭子等多種樣本，團(tuán)隊(duì)希望借此開發(fā)更廉價(jià)的感染性疾病診斷工具（如 HPV、HIV），也可用于新發(fā)傳染病檢測。弗斯特實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)已入選 MIT 創(chuàng)業(yè)加速器 delta v，計(jì)劃成立初創(chuàng)公司推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。

“此前局限于現(xiàn)場制造傳感器，如今可運(yùn)輸且無需冷藏，能在更多惡劣環(huán)境中應(yīng)用�！� 弗斯特表示，下一步將在真實(shí)場景中用患者樣本測試更多疾病。

成功的檢測

研究人員證實(shí)，這種涂層可保護(hù)傳感器上的 DNA 至少兩個(gè)月，甚至能耐受高達(dá)約 150 華氏度的溫度。兩個(gè)月后，他們沖洗掉聚合物，結(jié)果顯示傳感器仍能檢測到 PCA3—— 一種可在尿液中發(fā)現(xiàn)的前列腺癌基因。

這類檢測可適用于多種樣本，包括尿液、唾液或鼻拭子。研究人員希望利用該方法開發(fā)更廉價(jià)的感染性疾病診斷工具，例如可在診所或家庭使用的 HPV 或 HIV 檢測。他們還指出，這種方法也可用于開發(fā)針對(duì)新發(fā)傳染病的檢測手段。

弗斯特實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員最近入選了麻省理工學(xué)院的學(xué)生創(chuàng)業(yè)加速器 delta v，他們希望在此創(chuàng)辦初創(chuàng)公司以進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)。如今研究人員已能制造保質(zhì)期更長的檢測工具，計(jì)劃開始將其運(yùn)輸?shù)娇墒褂没颊邩颖具M(jìn)行測試的地點(diǎn)。

“我們的目標(biāo)是繼續(xù)在真實(shí)環(huán)境中用患者樣本測試不同疾病，” 弗斯特說，“此前的局限是必須在現(xiàn)場制造傳感器，但現(xiàn)在有了保護(hù)措施，我們可以運(yùn)輸它們，無需冷藏。這讓我們能在更多惡劣或非理想的環(huán)境中開展檢測。”

更多信息：周興成等，《用于固定化 DNA 長期儲(chǔ)存的聚合物涂層》，《美國化學(xué)學(xué)會(huì)・傳感器》（2025）。DOI：10.1021/acssensors.5c00937

期刊信息：《美國化學(xué)學(xué)會(huì)・傳感器》

由麻省理工學(xué)院提供

本文由麻省理工學(xué)院新聞（web.mit.edu/newsoffice/）重新發(fā)布，該平臺(tái)是報(bào)道麻省理工學(xué)院研究、創(chuàng)新與教學(xué)動(dòng)態(tài)的權(quán)威渠道。