史丹福大學開發「實時ELISA」,可連續快速檢測多種生物標誌物水平

2021-01-09 澎湃新聞

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作者：Cathy

導言：近日，史丹福大學開發出了「實時ELISA」技術，可對體內多種生物標誌物水平進行實時動態監測。

常規的體檢一般都會進行血液檢查，這種檢測可為常規的診斷提供依據，但這種通用的測試僅能在單個時間段內提供血液快照信息，而無法進行動態的監測。對循環系統中的生物分子進行連續不斷的實時檢測，可以提供有關患者健康狀況及其治療反應的見解。

史丹福大學電氣工程與放射學教授Tom Soh說：「驗血很有用處，但它不能告訴您例如患者的胰島素或葡萄糖水平是增加還是減少。對這些生物標記物水平進行動態檢測是十分重要的。」

近日，Soh教授與材料科學與工程學助理教授Eric Appel及其同事合作開發了一種技術，可以提供這一至關重要的缺失信息。

他們的技術稱為「實時ELISA（RT-ELISA）」，能夠非常快速地執行多種血液測試，然後將各個結果拼接在一起，從而能夠連續、實時地監測患者血液中的化學成分。研究人員最終得到的不是快照，而是「電影」。

RT-ELISA原型包括三個模塊：在第一個模塊（底部）中，將受試者血液與含有靶蛋白檢測探針和螢光檢測抗體珠的溶液混合。第二個模塊（右上方）去除過多的血細胞。第三個模塊（左上方）將螢光標記的珠子轉移到檢測窗口，以通過高速相機進行檢測 圖源：Caitlin Maikawa

這項工作於12月21日發表於《自然生物醫學工程》雜誌，題為「A fluorescence sandwich immunoassay for the real-time continuous detection of glucose and insulin in live animals」。

研究人員使用該設備同時檢測了糖尿病實驗大鼠體內的胰島素和葡萄糖水平。研究人員還說，他們的設備還有更多功能，可以輕鬆改裝以監測幾乎任何目標蛋白質或疾病生物標誌物。

從技術上講，該系統基於酶聯免疫吸附測定（ELISA）技術。自20世紀70年代初以來，ELISA一直是生物分子檢測的「金標準」，幾乎可以鑑定血液中的任何肽類、蛋白質、抗體或激素。例如，ELISA分析擅長於識別過敏源。它還可用於檢測HIV、西尼羅河病毒，以及可導致COVID-19的SARS-CoV-2冠狀病毒等。

Soh說：「我們不斷進行ELISA。」

實時ELISA本質上是一個晶片實驗室，晶片內的微小管道和閥門比頭髮直徑還小。靜脈注射針將患者的血液引導到該設備的微小迴路中，並在此微小迴路中反覆進行ELISA。

Soh將這一過程比為製作「蛋白質三明治」，該過程將兩個分子或抗體連接到目標蛋白質上。定製一種抗體來識別並結合在特定的生物標誌物上，結合之後，第二種抗體隨即被激活。該抗體發螢光或發光，可通過高速相機對其進行監測。根據血液樣本的發光程度，科學家不僅可以確定目標蛋白是否存在，還可以確定其濃度。血液中存在的靶分子越多，樣品將越亮。

Soh說，目前已經為葡萄糖、乳酸鹽和氧氣等一些血液標記物開發了實時連續血液監測器，但事實證明，將這種技術擴展到這幾個例子之外「非常困難」。這就是實時ELISA對多種蛋白質的靈活性特別好的原因。

Soh說：「不要僅僅將其視為胰島素傳感器。而應將其視為以全新的方式進行ELISA的一種技術。」

實時ELISA可能還可以為生物醫學研究帶來好處，可以提供有關藥物和其他療法有效性的即時和詳細反饋，但Soh認為，該設備在重症監護室和急診室中將使最為有用的，因為及時和準確是最重要的。

例如，Soh指出了由COVID-19引發的「細胞因子風暴」。隨著疾病的發作，患者的免疫系統會發出高度防禦性警報，並產生抗病毒信號蛋白，稱為細胞因子。在某些情況下，即使在疾病得到控制後，身體也無法降低細胞因子水平，而是產生越來越多的細胞因子，這可能導致膿毒症和內部器官衰竭。

Soh設想了實時ELISA的未來版本，該版本將能夠告訴醫生，在患者對治療的反應中，細胞因子水平是否正在下降。Soh和他的團隊已經在這方面開展工作，對其設備進行改裝以測量關鍵的細胞因子，即IL-6。而目前，我們必須將IL-6測試送到實驗室進行處理，並且需要三天才能得到結果。

Soh說：「在膿毒症中，時間是關鍵，每隔一個小時，死亡的可能性就會增加8％。將患者的檢測時間縮短，可能會挽救生命。」

名詞解釋

酶聯免疫吸附劑測定（ELISA）：指將可溶性的抗原或抗體結合到聚苯乙烯等固相載體上，利用抗原抗體特異性結合進行免疫反應的定性和定量檢測方法。酶聯免疫吸附測定（ELISA）為免疫學中的經典實驗。

膿毒症（sepsis）：指由感染引起的全身炎症反應症候群（systemic inflammatory response syndrome, SIRS），臨床上證實有細菌存在或有高度可疑感染灶。雖然膿毒症是由感染引起，但是一旦發生後，其發生發展遵循其自身的病理過程和規律，故從本質上講膿毒症是機體對感染性因素的反應。

參考資料：

【1】https://medicalxpress.com/news/2020-12-blood-test-device-blood-chemistry.html

【2】https://www.nature.com/articles/s41551-020-00661-1

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