曼彻斯特城市大学(MMU)的研究人员提供了一种新的生物传感平台，利用塑料抗体，与电化学检测和一种新的热技术兼容。该传感器平台可以针对任何应用进行定制:通过改变塑料抗体，可以测量不同的生物目标(从小分子到细胞)。这些“塑料”抗体成本低，非常稳定，可以批量生产，与传统抗体相比，减少所需动物的数量。通过获得生物样本或工程/软件专业知识的学术和工业合作者，寻求进一步验证和开发这种方法，以确保最大限度地吸收技术。
通过CRACK IT Solutions, peters博士与MIP诊断公司和一个临床合作伙伴合作。在解决方案的资助下，该联盟制备并验证了一种高亲和力的生物传感器，使用分子印迹聚合物(MIP)纳米颗粒用于心脏生物标志物的热检测。对于每一个为特定目标生产的MIP，该技术避免了对这些动物进行免疫和随后的使用。
开发直接、快速、低成本的生物分子检测方法的市场正在增长。在这些广泛使用的检测中，识别因素传统上是基于抗体。2015年的一份报告指出，美国抗体市场每年高达25亿美元，而且还在增长(Baker, 2015)。除了伦理问题，由于抗体是从动物身上获得的，它们价格昂贵且不稳定，这影响了可靠性(Kusnezow和Hoheisel, 2002)。低特征抗体造成的时间和资源损失估计为每年8亿美元，这还不包括样品浪费和实验得出的错误结论(Baker, 2015)。
聚合物或“塑料”抗体可以模仿天然抗体的特性，并能够克服这些缺点。这些合成抗体被称为分子印迹聚合物(MIPs)，是通过在特定靶标存在的情况下聚合乙烯基单体制成的(Haupt和Mosbach, 2000)。去除靶标后，获得具有对靶标具有高特异性印迹的多孔结构。MIPs是一项新兴技术，正在寻找它们的第一个商业应用;用于萃取的MIP颗粒填充色谱柱可以从Biotage和Sigma Aldrich (Nestora)等公司获得等, 2016)。
与抗体相比，MIPs的优点包括优越的稳定性;MIPs的工作温度可达100˚C，在有机溶剂和极端ph中稳定。此外，它们是批量制备的，结果一致，与在抗体情况下观察到的批到批变化相反。MIPs是聚合物，这使得它们与其他高亲和力的合成受体有根本的不同，包括修饰因子(蛋白质复合物)或适配体(寡核苷酸或肽基)。分子印迹技术是通用的，可以为特定目标定制聚合物;这意味着它有可能检测到从小离子到大蛋白质的广泛的生物目标，例如在这个例子中的生物分子。
引用:
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曼彻斯特城市大学提供了一种新的生物传感平台，利用塑料抗体，兼容电化学检测和一种新的热技术。通过将印迹聚合物颗粒与丝网印刷油墨(pepeters)混合，MIPs被集成到丝网印刷电极(spe)中et al。， 2016)并将其转移到基板上。印刷可以在各种聚合物和金属基板上完成，并允许微调传感器到所需的应用。该工艺是生产生物传感器最有前途的方法之一，因为它确保了快速、准确和低成本(一次性传感器)的原位分析，并容易集成到便携式设备。
与塑料抗体功能化的spe与分析物一起孵育，目标与聚合物层的结合反映在温度变化中。温度变化是用MMU开发的一个装置来测量的，该装置分析了通过样品的热流传输，并用于确定分析物的浓度。这可以通过两种不同的热方法来完成，这两种方法都获得了专利，被称为热传递法(HTM)和热波传输分析(TWTA)(范格林斯文等, 2014;范Grinsven等, 2016)。开发的传感器是通用的，可以用其他读出策略进行测量，如光学方法(颜色变化)，重力测量(极其敏感的质量平衡)和电化学技术，如计时安培测量(van Grinsven)等, 2014;范Grinsven等, 2016)。这款热感装置价格仅为1000英镑，携带方便，可以现场实时测量。与现有的方法(如微量热法)相比，这种读出技术具有优势，这些方法需要复杂的设备，实验室中没有标准的设备。热检测由自动化软件执行，易于使用，测量结果可以直接转移到其他位置。
使用聚合物抗体的独特优势是，它们可以被定制为多种应用，从检测神经递质到细菌。一次性聚合物功能化电极的低成本(每个样品1英镑)和现场测量样品的能力，非常适合在资源有限的偏远地理地区进行筛选。生物传感器平台的测量时间约为2分钟/样本(van Grinsven等.， 2014)，比传统的ELISA抗体检测更快。此外，还有可能以阵列格式检测各种各样的化合物;如测定废水中的各种污染物(重金属、污染物、有机染料)。
引用:
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这个项目是化学家、生物物理学家和工程师之间的一次独特合作。MMU的研究人员现在正在寻求更多的学术合作伙伴，以及行业合作伙伴，以进一步验证和发展这种方法，以确保最大限度地吸收技术。
MMU的研究人员正在从学术界和工业界寻找合作伙伴:
- 获取生物样本。研究人员对细菌感染或神经递质水平不正常的患者的血液或血清样本特别感兴趣。
- 工程/软件专业知识。为此，研究人员对应用程序的小型化设置和开发的额外支持感兴趣，以提高可用性，并可以与传感器一起工作，将原始数据转换为一个值，如数字(如葡萄糖传感器)或颜色。
- 对高通量筛选的专业知识和/或设备。
用户实施取代现有免疫分析试验方法。为此，MMU研究人员提供了在室内使用该系统的许可证或在实验室中进行样品测量的合同服务。
目前，用于研发的抗体生成需要对每批1 - 5只动物(包括老鼠、兔子、山羊和灵长类动物)进行免疫和使用。对于每一个为特定目标生产的MIP，该技术避免了对这些动物进行免疫和随后的使用。2013年，英国有近10000只动物被用于生产单克隆和多克隆抗体(英国内政部活体动物科学程序统计, 2013)。在荷兰，这一数字超过2.5万，这意味着在整个欧洲，大量减少动物用于抗体生产的可能性很大。由于这种聚合物技术是极其通用的，可以应用于广泛的生物分子，有可能直接取代传统抗体的使用，在诊断领域的生物测定，临床应用(医疗保健)，也在整个食品，化学和制药行业。
引用:
- 英国内政部统计活体动物的科学程序报告，2013年。可以在www.gov.uk /政府/统计/统计- -科学-程序-生活-动物-大-英国- 2013．
概述
在CRACK IT Solutions基金的支持下，peters博士现在正与MIP诊断有限公司(MIP Diagnostics Limited)及其临床合作伙伴合作，准备并验证一种生物传感器，使用分子印迹聚合物(MIP)纳米颗粒对心脏生物标志物进行热检测。该生物传感器将在诊断为心肌梗死的患者的人血清样本中使用心脏生物标志物进行验证，但也可用于其他行业，如基础研究或制药(例如检测动物心脏生物标志物)。在与该技术的最终用户协商后，将会开发出便携式生物传感器平台的商业原型，并进行展示，以展示该技术，并物色潜在的商业化合作伙伴。
影响
本项目开发了用于心脏生物标志物ST2和心脏型脂肪酸结合蛋白(h-FABP)的高选择性、高亲和力分子印迹聚合物纳米颗粒(nanoMIPs)。NanoMIPs到ST2和h-FABP有KD值(亲和度的衡量标准)分别为4和14 nM，远低于高亲和度(100 nM)。这些材料随后通过浸涂在热电偶上实现功能化，从而开发出一种新型的基于聚合物的生物传感平台。
将功能化的热电偶插入与热器件相连的流动单元中(图1)。在添加生物标志物溶液(Canfarotta)后，监测热阻，热阻定义为温度梯度除以保持散热器在固定温度下的功率et al .,2018)。当生物标志物与纳米omip层结合后，热电偶(T2)下降，导致整体热阻增加。
图1。热电偶被纳米omip功能化，并插入T1由温度控制单元(TCU)控制。生物标志物与纳米omip层的结合增加了固液界面的电阻，从而降低了热电偶(T2)．
随着h-FABP或ST2浓度的增加(0.1 - 5 nM)，测得的热电阻(Rth)．为了确保传感器平台的再现性，测量进行了三次重复(三次独立的测量，每次测量都制备了新的功能化热电偶)。数据可以用标准剂量-反应曲线(R2= 0.99)， ST2和h-FABP的检出限分别为~15 ng/mL和4 ng/mL。因此，这些传感器的灵敏度与传统的免疫分析类似，这些生物标志物的检测限度通常在1-5 ng/mL (Wodziget al .,1997;Dieplingeret al .,2015)。
图2。h-FABP(上)和ST2(下)纳米omips暴露于其原始生物标志物浓度后热阻的相对变化。未观察到功能化热电偶暴露于类似生物标志物时热阻的显著变化。
这些传感器的检测限度在生理相关范围内，因此我们可以在心脏损伤后检测到这些生物标志物的升高(Willemsenet al .,2015;Sritaraet al .,2015)。校准完成后，可在要求的5分钟内进行测量。正在寻求伦理批准使用相关患者样本来验证纳米omip功能化热电偶。进一步的工作计划验证热电偶与电化学方法。
该流槽经过重新设计，可以将3或4个热电偶插入到同一个流槽中，从而实现系统复用，并实现自动校准。图3显示了所有不同的设计。
图3。流电池的原理图设计，带有一个热电偶(a)，到系列(b)和多重格式(c,d)的各种流电池。
通过比较暴露于1-5 ng/mL ST2浓度(n=3)时的反应，对各种流式细胞设计进行了相互比较。观察到三重热电偶设计具有最低的检出限，并且可以在没有任何样品预处理的情况下测量加标血清样品中ST2浓度为10 ng/mL。可以测试心脏生物标志物的混合物，如图4所示，其中三种热电偶设计(d)的响应由一个ST2功能化热电偶、一个h-FABP功能化热电偶和一个空白热电偶显示。
图4。将未功能化的热电偶、带有ST2功能化的热电偶和带有h-FABP纳米omips的热电偶暴露于添加了ST2的血清样本时，热阻的相对变化。
纳米omip功能化热电偶具有很高的亲和力和选择性，与传统的基于抗体的检测方法相似，具有检测限度，可以同时评估多种生物标志物的水平。与传统的ELISA方法相比，该平台成本低，易于生产，具有可重复使用的潜力。这项技术继续向商业化发展的工作正在进行中。
1 ~ 5只动物用于一次ELISA检测产生抗体，但这些抗体可以用0.2 mg / 96孔板替代。在该项目中，研究团队为ST2和h-FABP制备了10mg纳米omips，足以替代50次ELISA检测，并替代50 - 250只动物的使用，但还可以制备更多的纳米omips。曼彻斯特城市大学医疗保健学院的研究人员已经使用这些纳米omip进行了大约50次测试，作为一个为期三年的项目的一部分，预计还将进行150次测试。这通常等同于购买两个ELISA试剂盒，但取而代之的是使用纳米omip技术替换2到10只动物。peters博士将继续在她纽卡斯尔大学的研究小组中使用ST2和h-FABP目标纳米omip，并将该技术介绍给马斯特里赫特大学和Université Libre de Bruxelles的合作者。
在整个项目中，彼得斯博士一直与MIP诊断公司密切合作，并通过他们的网站该项目开发的纳米omip可以订购，以及其他几个可用的靶标。进一步的工作计划将传感器扩展到包括其他心脏生物标记物的检测格式，我们希望这将显著提高测试的可靠性。基于该项目的成功，与工业伙伴剑桥医疗技术公司建立了知识转移伙伴关系。该解决方案增加了与工业界的合作，peters博士也在与有兴趣将该技术应用于食品安全和水质领域其他蛋白质的公司进行接触。关于该技术的进一步信息可以在这里找到在这里．
出版
Crapnell R, Canfarotta F, Czulak J，et al。(2019)。利用分子印迹纳米颗粒多传感器平台对心脏生物标志物心脏脂肪酸结合蛋白和ST2的热检测。ACS的传感器doi:10.1021 / acssensors.9b01666
参考文献
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