DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00700-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38784375
تاريخ النشر: 2024-05-22
المؤلف: Lanpeng Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الاستشعار الحيوي والتحليل الحيوي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدمات والتحديات في مجال أجهزة الاستشعار الحيوية البروتينية الكهروكيميائية، خاصة في سياق الرعاية الصحية الطبية المدعومة بالذكاء الاصطناعي. ويؤكد على دور البروتينات كعلامات حيوية ماكرومولكية حاسمة لتشخيص الأمراض ومراقبة العلاج. بينما أظهرت أجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية خصوصية كبيرة من خلال تفاعلات الأجسام المضادة والمستضدات، فإن وجود مصفوفات الببتيد حول علامات البروتين الحيوية يعيق نقل الشحنة، مما يؤدي إلى تقليل حساسية المستشعر.
لمعالجة هذه القيود، تناقش المراجعة استراتيجيات متنوعة تتضمن مواد معدلة للقطب الكهربائي وأجهزة محولات تهدف إلى تعزيز الحساسية وتوسيع التطبيقات العملية لهذه المستشعرات. تلخص التطورات الأخيرة في أجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية للكشف عن علامات البروتين المرتبطة بالسرطان، والعدوى الفيروسية، والالتهابات، وأمراض أخرى، موضحة المواد الحساسة، وهياكل المحولات، ومبادئ الكشف المستخدمة. تختتم هذه القسم برؤية مستقبلية حول مستقبل أجهزة الاستشعار الحيوية البروتينية الكهروكيميائية في الكشف عن علامات الأمراض خلال السنوات القادمة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التقدمات الكبيرة في تكنولوجيا أجهزة الاستشعار الحيوية، خاصة في سياق الذكاء الاصطناعي والرعاية الصحية الذكية. تعتبر أجهزة الاستشعار الحيوية، التي تحول تركيز المواد البيولوجية إلى إشارات كهربائية، ضرورية للكشف السريع ومراقبة علامات الأمراض. تظهر أجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية، على وجه الخصوص، مزايا على الفحوصات المناعية التقليدية مثل اختبارات الامتصاص المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA)، بما في ذلك الحساسية العالية، والكشف السريع، وانخفاض استهلاك الطاقة، والتقليص. هذه الأجهزة ضرورية لتحديد العلامات الحيوية – مؤشرات مميزة للعمليات الفسيولوجية أو المرضية – التي تلعب دورًا حيويًا في التشخيص المبكر ومراقبة العلاج.
تؤكد الورقة على التحديات التي تواجه الكشف عن علامات البروتين الحيوية، مثل الهيكل الجزيئي المعقد للبروتينات وتركيزاتها المنخفضة، مما يعيق نقل الشحنة ويؤثر على حساسية ودقة الكشف. للتغلب على هذه التحديات، يقوم الباحثون بالتحقيق في تعديلات الأقطاب الكهربائية وتصميمات المحولات لتعزيز أداء أجهزة الاستشعار الحيوية البروتينية الكهروكيميائية. تركز المراجعة على التطورات الأخيرة في هذا المجال لتشخيص أمراض متنوعة، بما في ذلك السرطان والعدوى الفيروسية، وتناقش إمكانيات المواد المتقدمة وهياكل الأجهزة لتحسين الحساسية، والانتقائية، والثبات لهذه المستشعرات. تختتم الورقة بنظرة على الاتجاهات المستقبلية في تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية البروتينية الكهروكيميائية للكشف عن علامات الأمراض.
طرق
تناقش هذه القسم تصنيف وأساليب التحليل لأجهزة الاستشعار الحيوية البروتينية الكهروكيميائية، والتي تصنف إلى أنواع خالية من العلامات وأنواع مع علامات. تكشف أجهزة الاستشعار الحيوية الخالية من العلامات عن البروتينات من خلال تفاعل مباشر بين الأجسام المضادة والمستضدات، مما يؤدي إلى تغييرات في التيار والمقاومة عند واجهة القطب الكهربائي. تُقسم أجهزة الاستشعار الحيوية المعلمة إلى تنسيقات ساندويتش وتنافسية، حيث تعزز أجهزة الاستشعار الحيوية الساندويتش الحساسية من خلال هيكل “ساندويتش” يتضمن أجسام مضادة للتقاط والكشف، بينما تقيس أجهزة الاستشعار الحيوية التنافسية العلاقة العكسية بين شدة الإشارة وتركيز المستضد في العينة. تشمل التقنيات التحليلية الرئيسية المستخدمة الفولتمترية الدورية (CV)، والفولتمترية النبض التفاضلية (DPV)، والفولتمترية المسحية الخطية (LSV)، وطيفية مقاومة الكهروكيميائية (EIS)، التي تقيم التغييرات في الموصلية، والمقاومة، أو السعة.
تسلط هذه القسم أيضًا الضوء على دور المواد النانوية المعدلة للقطب الكهربائي في تعزيز أداء أجهزة الاستشعار الحيوية. تحسن المواد النانوية الوظيفية من استقرار ونشاط الجزيئات الحيوية على أسطح الأقطاب الكهربائية، مما يسهل نقل الإشارة بكفاءة. يتم مناقشة مواد نانوية متنوعة، بما في ذلك جزيئات المعادن صفرية الأبعاد (0D)، والهياكل النانوية أحادية البعد (1D)، والمواد ثنائية الأبعاد (2D) مثل الجرافين وثنائي كبريتيد المعادن الانتقالية (TMDCs)، لخصائصها الفريدة التي تعزز نقل الشحنة، وتزيد من مساحة السطح لتثبيت الجزيئات الحيوية، وتحسن الحساسية. تشمل الأمثلة البارزة استخدام جزيئات الذهب النانوية في أجهزة الاستشعار المناعية للكشف عن التهاب الكبد B وتطبيق ترانزستورات التأثير الميداني القائمة على الجرافين (FETs) للكشف عن بروتين السنبلة SARS-CoV-2، مما يوضح إمكانيات هذه المواد النانوية في تحقيق حساسية ودقة عالية في تطبيقات الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية.
مناقشة
تناقش هذه القسم مبادئ وتطبيقات أجهزة الاستشعار الحيوية البروتينية الكهروكيميائية، التي تعتبر حاسمة للكشف عن علامات الأمراض. تتكون هذه الأجهزة من وحدات مستقبلات ومحولات، حيث تتعرف المستقبلات (عادةً الأجسام المضادة أو المستضدات) على جزيئات حيوية محددة، مما يؤدي إلى تغييرات في الخصائص الفيزيائية أو الكيميائية للمستشعر. ثم تقوم المحولات بتحويل هذه الإشارات التعرفية إلى إشارات كهربائية قابلة للقياس، مما يسمح بتحليل حساس ودقيق للجزيئات الحيوية المستهدفة. تستند آليات ارتباط المستضد-الأجسام المضادة إلى الخصوصية العالية والحساسية لهذه المستشعرات، التي غالبًا ما تستخدم أنظمة ثلاثية الأقطاب الكهروكيميائية أو ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) لنقل الإشارة.
تسلط الورقة الضوء على التقدمات في مواد أجهزة الاستشعار الحيوية، بما في ذلك الهياكل العضوية المعدنية (MOFs) والهياكل العضوية التساهمية (COFs)، التي تعزز الحساسية وحدود الكشف لمجموعة متنوعة من العلامات الحيوية المرتبطة بالسرطانات والأمراض المعدية. على سبيل المثال، أظهرت أجهزة الاستشعار الحيوية التي تستخدم MOFs أداءً مثيرًا للإعجاب في الكشف عن علامات السرطان مثل المستضد السرطاني الجنيني (CEA) وألفا-فيتوبروتين (AFP)، محققة حدود كشف منخفضة (LODs) ونطاقات استجابة خطية واسعة. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد هذه القسم على دور الإنزيمات النانوية كبدائل فعالة من حيث التكلفة ومستقرة للإنزيمات الطبيعية في تطبيقات الاستشعار الحيوية. تغطي المناقشة أيضًا الحاجة الملحة لطرق الكشف السريعة والدقيقة للعدوى الفيروسية، مثل SARS-CoV-2، مما يبرز تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية التي يمكن أن توفر تشخيصات في الوقت المناسب، وهو أمر حاسم لإدارة الأمراض بشكل فعال وصحة العامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00700-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38784375
Publication Date: 2024-05-22
Author(s): Lanpeng Guo et al.
Primary Topic: Advanced biosensing and bioanalysis techniques
Overview
The section provides an overview of the advancements and challenges in the field of electrochemical protein biosensors, particularly in the context of artificial intelligence-enabled medical healthcare. It emphasizes the role of proteins as crucial biological macromolecular markers for disease diagnosis and therapeutic monitoring. While electrochemical biosensors have demonstrated significant specificity through antibody-antigen interactions, the presence of peptide matrices around protein biomarkers impedes charge transfer, leading to reduced sensor sensitivity.
To address these limitations, the review discusses various strategies involving electrode-modified materials and transducer devices aimed at enhancing sensitivity and broadening the practical applications of these sensors. It summarizes recent developments in electrochemical biosensors for detecting protein biomarkers associated with cancer, viral infections, inflammation, and other diseases, detailing the sensitive materials, transducer structures, and detection principles employed. The section concludes with a forward-looking perspective on the future of electrochemical protein biosensors in disease marker detection over the coming years.
Introduction
The introduction highlights the significant advancements in biosensor technology, particularly in the context of artificial intelligence and smart healthcare. Biosensors, which convert the concentration of biological substances into electrical signals, are essential for the rapid detection and monitoring of disease markers. Electrochemical biosensors, in particular, demonstrate advantages over traditional immunoassays like enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA), including high sensitivity, rapid detection, low power consumption, and miniaturization. These biosensors are crucial for identifying biomarkers—distinctive indicators of physiological or pathological processes—which play a vital role in early diagnosis and treatment monitoring.
The paper emphasizes the challenges faced in the detection of protein biomarkers, such as the complex molecular structure of proteins and their low concentrations, which hinder charge transfer and affect detection sensitivity and specificity. To overcome these challenges, researchers are investigating electrode modifications and transducer designs to enhance the performance of electrochemical protein biosensors. The review focuses on recent developments in this field for diagnosing various diseases, including cancer and viral infections, and discusses the potential of advanced materials and device structures to improve the sensitivity, selectivity, and stability of these sensors. The paper concludes with an outlook on future trends in the development of electrochemical protein sensors for disease biomarker detection.
Methods
The section discusses the classification and analytical methods of electrochemical protein biosensors, which are categorized into label-free and labeled types. Label-free biosensors detect proteins through a direct antibody-antigen interaction, leading to changes in current and impedance at the electrode interface. Labeled biosensors are further divided into sandwich and competitive formats, where sandwich biosensors enhance sensitivity through a “sandwich” structure involving capture and detection antibodies, while competitive biosensors measure the inverse relationship between signal intensity and sample antigen concentration. Key analytical techniques employed include cyclic voltammetry (CV), differential pulse voltammetry (DPV), linear sweep voltammetry (LSV), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which assess changes in conductivity, resistance, or capacitance.
The section also highlights the role of electrode-modified nanomaterials in enhancing biosensor performance. Functional nanomaterials improve the stability and activity of biomolecules on electrode surfaces, facilitating efficient signal transduction. Various nanomaterials, including zero-dimensional (0D) metal nanoparticles, one-dimensional (1D) nanostructures, and two-dimensional (2D) materials like graphene and transition metal dichalcogenides (TMDCs), are discussed for their unique properties that enhance charge transfer, increase surface area for biomolecule immobilization, and improve sensitivity. Notable examples include the use of gold nanoparticles in immunosensors for hepatitis B detection and the application of graphene-based field-effect transistors (FETs) for SARS-CoV-2 spike protein detection, demonstrating the potential of these nanomaterials in achieving high sensitivity and specificity in electrochemical biosensing applications.
Discussion
The section discusses the principles and applications of electrochemical protein biosensors, which are critical for detecting disease biomarkers. These biosensors consist of receptor and transducer units, where the receptor (typically antibodies or antigens) recognizes specific biomolecules, leading to changes in the sensor’s physical or chemical properties. The transducer then converts these recognition signals into measurable electrical signals, allowing for sensitive and specific analysis of target biomolecules. The mechanisms of antigen-antibody binding underpin the high specificity and sensitivity of these sensors, which often utilize electrochemical three-electrode systems or field-effect transistors (FETs) for signal transduction.
The paper highlights advancements in biosensor materials, including metal-organic frameworks (MOFs) and covalent organic frameworks (COFs), which enhance sensitivity and detection limits for various biomarkers associated with cancers and infectious diseases. For instance, biosensors utilizing MOFs have demonstrated impressive performance in detecting cancer markers like carcinoembryonic antigen (CEA) and alpha-fetoprotein (AFP), achieving low limits of detection (LODs) and wide linear response ranges. Additionally, the section emphasizes the role of nanoenzymes as cost-effective and stable alternatives to natural enzymes in biosensing applications. The discussion also covers the urgent need for rapid and accurate detection methods for viral infections, such as SARS-CoV-2, highlighting the development of electrochemical biosensors that can provide timely diagnostics, which is crucial for effective disease management and public health.