生物传感器让“分子机器”成真

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精灵分子传感器

沪上高校中首个以诺贝尔奖得主命名的研究机构——费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心近日传出好消息：中心成员、华东理工大学教授朱为宏设计出“精灵”生物传感器，这是一种高稳定性的分子荧光染料，能够精确、高灵敏、高分辨地获取来自分子的信息，可以对肿瘤分子等标记物精确检测，从而实现精准医疗。这意味着，诺贝尔奖的“分子机器”已经由概念转变为实用，逐渐成为医学重器。

上海“智造”攻克难题

2016年，来自荷兰格罗宁根大学的费林加教授和另外两名学者因“分子机器”共同获得了当年的诺贝尔化学奖。什么是分子机器？有一个形象的说法：比头发还要细1000倍的机器。它的发现带来了无限的概念：未来，从我们的静脉里注射入一批纳米机器人，它们可以直接清洗血管，也许，心血管疾病不再是人类的“头号杀手”；我们使用的材料，通过分子机器，可以自动修复，永久使用。可是，相当长时间内，如何使用“分子机器”，仍是科学家们攻关的难题。当时，费林加本人也承认，“我现在更关心的是怎么使用它们。”

2017年，华东理工大学的客座教授费林加先生和田禾院士共同倡议，在上海市徐汇区政府以及张江科技园区支持下，依托华东理工大学，费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心在华理校园内建立。当时的目标定位正是打造分子机器的“梦工厂”。这既是国家与上海市努力打造世界级研究机构的有力举措，也是把上海建设成为有全球影响力的科创中心的重要支撑。两年间，华理的诺贝尔中心果然飞出分子“小精灵”。

已能应对多种疾病

据介绍，联合中心研制的分子荧光染料已经应对多种疾病。首先开发了具有简单、快速、高效、原位直接检测人体血清中α-酮戊二酸浓度的试剂盒。

代谢物小分子α-酮戊二酸是体内代谢途径中最重要的氮素运载体之一，其浓度变化与众多疾病密切相关，如非酒精性脂肪肝和急性髓细胞白血病等。但由于α-酮戊二酸分子量小、无明显的紫外吸收，并且它的羟基和羧基官能团广泛存在于人体内的氨基酸中，其直接检测非常困难。朱为宏教授课题组发展了具有自主知识产权的新型染料母体，创新发展了具有简单、快速、高效、原位直接检测人体血清和活细胞中α-酮戊二酸浓度变化的分子荧光探针。应用他们开发的分子探针试剂盒，无需对血清进行任何预处理可直接检测人血清中α-酮戊二酸的浓度变化，实现快速、微量血定量、智慧型精准即时检测。

其次，可激活的荧光点亮实现阿尔茨海默症斑块的原位、高保真成像。大脑中β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块的形成和沉积，在阿尔茨海默症的神经病理学中扮演着极为重要的角色，被认为是该疾病早期诊断和治疗的重要病理学标志。朱为宏教授发展了具有自主知识产权的喹啉腈母体新型染料，可迅速对脑部Aβ斑块超灵敏和高保真的原位成像，为快速筛选老年痴呆症药物提供了一种非常有前景的研究工具。

提高诊疗的精准度

此项研究还具有“智能”识别过程实现定量检测，避免复杂生理环境的干扰实现准确诊疗：生物传感器的性能提升不仅体现在检测领域，在诊疗领域方面采用“保险箱”的多重保护策略，基于序列响应型逻辑门的设计，提供对生物环境多样性和复杂性的双通道可视化反馈，并通过精确的靶向能力和可编程的药物释放，显著提高了肿瘤的治疗效率。

显然，“分子机器”展示的这种无创化、小型化和高效的体外分子诊断技术，将对诊断准确性和疾病的预防具有极其重要的意义。本报记者 张炯强