原創(chuàng) Cell Press CellPress細(xì)胞科學(xué)

交叉學(xué)科

Interdisciplinary

當(dāng)前，生物電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化，相關(guān)研究的熱度正在迅速增長。生物電子學(xué)涉及生物系統(tǒng)與電子學(xué)之間的界面，涵蓋的主題包括但不限于生物傳感器、植入式設(shè)備、可穿戴和表皮電子學(xué)、電生理學(xué)以及電子學(xué)療法等。通過使用電子學(xué)電路，人們可以控制、測量甚至刺激生物過程，有望為生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用開辟新的方向和道路。本期特刊由Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science的編委會成員——來自英國劍橋大學(xué)的Sohini Kar-Narayan教授和沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)的Sahika Inal教授共同擔(dān)任客座編輯。特刊中匯編了一些綜述和研究論文，深度聚焦生物電子學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。

前瞻性論文：利用生物電子學(xué)界面匹配實現(xiàn)先進(jìn)可植入設(shè)備設(shè)計

生物電子學(xué)技術(shù)為醫(yī)學(xué)提供了前所未有的時空分辨率，為電子學(xué)療法和監(jiān)測系統(tǒng)開啟了新的大門。然而，生物電子醫(yī)學(xué)的發(fā)展需要在設(shè)備和生物組織之間構(gòu)建一個穩(wěn)定的界面。基于此，來自美國達(dá)特茅斯學(xué)院（Dartmouth College）的Alexander J. Boys教授發(fā)表了題為“Bioelectronic interfacial matching for superior implant design”的前瞻性論文，重點討論了如何建立一個框架以研究這類生物電子學(xué)的設(shè)備-組織界面，特別是針對生物電子學(xué)植入物的情況。該論文討論了在構(gòu)建生物電子學(xué)植入設(shè)備時必須考慮的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，重點關(guān)注與組織相關(guān)的界面結(jié)構(gòu)。與此同時，論文作者提出，在生物電子學(xué)界面的設(shè)計過程中，可以協(xié)同考慮多種機(jī)械、電子和化學(xué)策略，并將其進(jìn)行了分類。該論文旨在提供一個界面結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效框架，以促進(jìn)使用植入式設(shè)備的生物電子醫(yī)學(xué)新領(lǐng)域的發(fā)展。

研究論文：腫瘤電場治療增強自然殺傷細(xì)胞對癌細(xì)胞的殺傷力

腫瘤電場治療（tumor-treating fields, TTFs）是一種針對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma, GBM）的非侵入性療法，該療法采用低強度、中頻交流電場。通常，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的5年存活率不到7%，因此通過多模態(tài)療法來提高存活率等治療策略的發(fā)展迫在眉睫。自然殺傷細(xì)胞（nature killer cells, NK）是一種能殺死癌細(xì)胞的先天性淋巴細(xì)胞，因而成為新型免疫療法的主要研究目標(biāo)?；贜K細(xì)胞的TTFs療法是治療GBM潛在手段。針對該聯(lián)合療法的研究，來自愛爾蘭都柏林圣三一大學(xué)（Trinity College Dublin）的Clair M. Gardiner教授研究團(tuán)隊發(fā)表了題為“Tumor-treating fields increase cytotoxic degranulation of natural killer cells against cancer cells”的研究論文，系統(tǒng)考察了TTFs對NK細(xì)胞活力以及功能的影響。文中，作者發(fā)現(xiàn)TTFs的存在并不會影響NK細(xì)胞的活力，也不會影響使NK細(xì)胞發(fā)揮關(guān)鍵功能的γ干擾素（IFN-γ）的產(chǎn)生。重要的是，作者發(fā)現(xiàn)TTFs會增加NK細(xì)胞的脫顆粒水平，而脫顆粒水平是細(xì)胞殺傷力的一種衡量指標(biāo)。研究數(shù)據(jù)表明，TTFs與NK細(xì)胞療法的結(jié)合可能會增強對腫瘤細(xì)胞的殺傷力。該研究工作為TTFs與NK細(xì)胞療法的結(jié)合提供了基礎(chǔ)，最終目標(biāo)旨在提高通過基于NK細(xì)胞免疫療法治療GBM患者的應(yīng)用潛力。

研究論文：電解質(zhì)門控有機(jī)晶體管探究抗體-抗原動態(tài)相互作用

親和生物傳感器利用表面結(jié)合生物分子進(jìn)行分析物檢測，是臨床診斷和藥物開發(fā)的重要工具。在此背景下，電解質(zhì)門控有機(jī)晶體管（electrolyte-gated organic transistors, EGOT）正逐漸興起，成為一類具有超靈敏度的無標(biāo)記生物傳感器。本文中，來自意大利摩德納-雷焦·艾米里亞大學(xué)（Università di Modena e Reggio Emilia）的Alessandro Paradisi教授和Carlo Augusto Bortolotti教授研究團(tuán)隊發(fā)表了題為“Dynamic studies of antibody-antigen interactions with an electrolyte-gated organic transistor”的研究論文，研究中搭建了一種集成在微流控系統(tǒng)中的EGOT傳感器。該傳感器利用巨細(xì)胞病毒（cytomegalovirus, CMV）磷蛋白65（pp65）作為生物識別元件，檢測溶液中的人類抗巨細(xì)胞病毒抗體這一病理生物標(biāo)記物。生物識別元件通過多聚組氨酸標(biāo)簽技術(shù)嫁接到柵極電極上。通過實時監(jiān)測EGOT反應(yīng)，并結(jié)合兩室動力學(xué)模型分析，可以確定分析物濃度、結(jié)合動力學(xué)和相互作用熱力學(xué)。研究團(tuán)隊通過對過程相關(guān)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，得出了相對可靠的熱力學(xué)平衡常數(shù)，闡明了測得值與朗繆爾結(jié)合模型的偏差來源。

研究論文：功能性酶驅(qū)動測定實現(xiàn)物理極限下肽翻譯后修飾的無標(biāo)記電子檢測

具有高性能、超靈敏性以及通用普適性的蛋白質(zhì)翻譯后修飾（protein post-translational modification, PTM）以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（protein-protein interaction, PPI）技術(shù)是制藥業(yè)和生物分析研究所追求的目標(biāo)。新型PTM和PPI檢測方法在檢測范圍和可擴(kuò)展性方面優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法，可收集多個生化靶標(biāo)的信息。在單分子水平上檢測肽和蛋白質(zhì)是通過利用納米級傳導(dǎo)元件在納摩爾級或更高濃度的分析溶液中進(jìn)行檢測。來自意大利巴里大學(xué)阿爾多·莫羅分校（Università degli Studi di Bari Aldo Moro）的Luisa Torsi教授聯(lián)合芬蘭圖爾庫大學(xué)（University of Turku）的Harri H?rm?教授以及埃博學(xué)術(shù)大學(xué)（?bo Akademi University）的Ronald ?sterbacka教授研究團(tuán)隊發(fā)表了題為“Label-free electronic detection of peptide post-translational modification with functional enzyme-driven assay at the physical limit”的研究論文，報道了一種針對單分子PTM檢測生物傳感平臺的原理驗證。該平臺基于單分子大晶體管（single molecule with a large transistor, SiMoT）技術(shù)，包括一個毫米級大小的電解質(zhì)門控有機(jī)場效應(yīng)晶體管，用于無標(biāo)記PTM檢測，其檢測限可低至zeptomolar（10?21 M）級別。相比于質(zhì)譜法和光譜檢測技術(shù)，靈敏度提高了106至1012倍。該研究工作利用多元數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)了一種針對zeptomolar級濃度范圍內(nèi)酶驅(qū)動多肽PTM的功能性檢測方法，為未來監(jiān)測PTMs的應(yīng)用開辟了道路。

研究論文：“信號開啟”電化學(xué)檢測BACE1，用于阿爾茨海默的早期檢測

β-分泌酶，即β位淀粉樣前體蛋白（β-site amyloid precursor protein, APP）裂解酶1（BACE1），是阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease, AD）患者大腦中β-淀粉樣蛋白（β-amyloid, Aβ）生成途徑中的一個關(guān)鍵水解酶。BACE1被認(rèn)為是阿爾茨海默癥早期檢測的一種頗具前景的生物標(biāo)記物?；诖耍瑏碜孕挛魈m奧克蘭大學(xué)（The University of Auckland）的Jadranka Travas-Sejdic教授聯(lián)合商丘師范大學(xué)的徐茂田教授研究團(tuán)隊發(fā)表了題為“‘Signal-on’ electrochemical detection of BACE1 for early detection of Alzheimer’s disease”的研究論文，合成了一種二茂鐵探針（Fc-Probe），探針上的醛基能特異性識別APP肽片段的N端。該生物傳感器的設(shè)計包括玻碳電極表面的金納米粒子，使其能與APP肽片段相結(jié)合。當(dāng)BACE1分解乙酰化APP肽時，N端就會暴露出來，并觸發(fā)電化學(xué)信號。該BACE1傳感器提供了一種簡單、靈敏、低成本的檢測方法，實現(xiàn)了對BACE1活性的“信號開啟”檢測模式。

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