螢光?血糖?FRET技術新進展了解一下

2021-01-21 中科院之聲

近幾十年，糖尿病的患病率逐年攀升，糖尿病在世界各地都正成為日益嚴重的公共健康問題。在我國，目前糖尿病患者已達1億，一場「甜蜜危機」正在向我們襲來。


而對於糖尿病患者來說，定期監測血糖水平是非常重要的，也是糖尿病評估和管理的重要手段。

 

基於酶的血糖檢測儀，比較「嬌氣」


在過去的研究中，對於血糖檢測，大多數研究人員關注的焦點是基於酶的電化學傳感器。現在醫院裡使用的檢測試劑盒、市面上熱銷的家用血糖儀都是基於這個原理開發的。


但是，我們知道，酶這個傢伙是非常「嬌氣」的，稍微有點溫度變化都可能發生改變。其實我們在日常使用血糖儀的過程中也往往能夠感受到，比如說，昨日測量的試紙條拿到今天再次讀數，它顯示的血糖值便會出現很大的偏差。


此外，血液的成分很複雜，現有的檢測方法很容易就受到除血糖外其他成分的幹擾。比如，血氧含量、血液酸鹼值及服用藥物等多種因素的變化，都會影響到檢測的結果。


所以，近年來，科學家們把目光投向了「非酶」的血糖檢測方法。而其中一個方向，就是用螢光探針製備出新型血糖傳感器。

 

螢光也能測血糖


螢光？血糖檢測？這倆看起來八竿子打不著吧。莫非是科學家暈頭了？這還真不是，我們先來了解一下「螢光」。


圖片來自網絡

 

螢光，是指一種光致發光的冷發光現象。簡單來說，我們可以理解為將一束特定顏色的光照射到某種螢光物質上時，也將能量傳遞給了螢光分子，從而可以激發它發出另外一種顏色的光。


回想一下我們平時在使用螢光棒時，是不是都會先把螢光棒折彎、拍一拍、甩一甩呢？其實，這個過程就是把螢光棒中含有不同化學物質的玻璃細管弄破。然後，這裡面的化學物質混合發生反應後將能量傳遞給了螢光染料，再由染料發出美麗的螢光。


那麼，螢光是怎樣和血糖測量聯繫起來的呢？


這就要提到螢光共振能量轉移（FRET）效應了。FRET 效應是一種螢光基團間通過偶極-偶極的相互作用以非輻射方式發生能量轉移的現象，由德國物理化學家西奧多·福斯特（Theodor Förster，1910-1974）於1948年提出。


FRET 效應其實是螢光現象的一種延伸。它是利用了一種螢光物質發出的螢光，來激發另一種螢光物質，從而實現了螢光的「傳遞」。當然，這種效應的產生是需要一些特定條件的，其中之一便是要求兩種螢光物質在空間距離上足夠接近，通常認為在1-10nm範圍內。


因此，FRET 技術成為科研人員手中一把衡量分子間距離的「納米標尺」，進而可以間接實現對某些特定分子濃度的檢測。這就是螢光檢測血糖濃度的基本原理。


經過幾十年的研究發展，FRET 技術已經在免疫分析、核酸檢測、環境分析、藥物篩選等多個領域廣泛應用，是一種用於血液分子檢測的良好工具。

 

新型血糖傳感器，未來有望不用天天扎針測血糖


近日，中科院蘇州醫工所醫學檢驗室蛋白質組學中心尹煥才/殷建團隊就基於 FRET 效應，開發出螢光探針，從而製備出新型血糖傳感器，實現了對血糖的高穩定性高靈敏度檢測。


科研人員設計併合成了基於稀土元素 Eu 的穴狀配體螯合物作為螢光供體，並篩選與其相匹配的發色基團作為螢光受體。然後，構建了 ConA-Dex 探針，將FRET 技術中的螢光供體和螢光受體分別與之結合。


當檢測樣品中存在葡萄糖時，這個探針就會解除 FRET 效應，從而通過檢測供體螢光的升高幅度來反映葡萄糖濃度的高低。


科研人員還使用透明質酸水凝膠來包裹 FRET 螢光探針。是的，你沒看錯，這裡說的透明質酸就是美容護膚品中常用到的玻尿酸。它具有極強的天然保水性能，同時它本質上是由兩個雙糖單位組成的大型多糖類，在人體中分布廣泛，是一種天然具有較高生物相容性的材料，在藥物載體、支架材料等方面為許多研究使用。


基於 FRET 效應的新型血糖傳感器。葡萄糖螢光探針被包裹於透明質酸微球中，能夠實現對血糖的高靈敏檢測，同時具有極佳的抗幹擾性、穩定性和生物相容性。

 

科研人員把這個探針包裹在直徑約為70μm的透明質酸水凝膠微球中。這樣一來，就讓這個傳感器具有了無毒、高生物相容性的特性，解決了稀土元素 Eu 穴狀配體螯合物在應用中具有潛在生物安全性的問題。


（a）顯微鏡明場下拍攝的透明質酸微球，直徑約為60μm。（b）cy5.5螢光通道下拍攝的螢光微球。（c）掃描電子顯微鏡拍攝的乾燥後的透明質酸微球。

 

另一方面，也是利用了水凝膠材料交織的網狀結構，從而既能排除血液中大分子成分對檢測的幹擾，又可以在一定程度上保證葡萄糖傳感器工作條件的穩定。在長時間連續檢測的驗證實驗中，該葡萄糖傳感器在進行檢測72小時後仍能夠保證檢測結果的一致性，表明其具有極佳的穩定性。


研究結果表明，這種新型葡萄糖傳感器實現了對血糖的高精度檢測，同時經過多重潛在幹擾物的驗證，其具有較高的抗幹擾性和穩定性，血液樣本無需特殊處理即可實現穩定精確檢測，在與目前臨床使用的檢測方法（己糖激酶法）對比後，結果顯示該新型傳感器能夠替代傳統方法。


在未來基於此類葡萄糖傳感器，通過體內埋設等方式有可能實現長時間連續血糖監測等功能，因此具有較高的應用潛能。其實也可以這麼理解，用這個方法的話未來就可以不用讓患者天天扎針測血糖了，這是值得期待的。


來源：中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所



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