新的DNA生物传感器可以解锁强大 低成本的临床诊断

DNA可以发出一系列疾病(包括癌症)的存在或易感性信号。标记这些称为生物标志物的线索的能力使医疗专业人员能够进行关键的早期诊断并提供个性化治疗。典型的筛选方法可能费力、昂贵，或者它们所能发现的内容有限。一种拥有精确且廉价设计的新型生物传感器芯片可能会增加高质量诊断的可及性。

这种生物传感器由美国国家标准与技术研究院(NIST)、布朗大学和法国研究机构CEA-Leti的研究人员开发，通过测量DNA链与设备之间的结合方式来识别生物标志物。它与其他类似传感器的区别在于它的模块化设计，它通过更容易批量生产和允许最昂贵的组件重复使用来降低成本。

在刚刚在线发布的最新IEEE国际电子设备会议的一篇论文中，研究人员展示了一项研究的结果，该研究证明了该设备的高灵敏度和精度，尽管其模块化通常与性能下降有关。

与其他DNA生物传感器一样，该设备利用了这样一个事实，即单条DNA链在熟悉的双螺旋结构中未与另一条配对时，会准备好进行化学键合。该装置的一部分涂有单链DNA。当这些“探针”遇到具有相应或互补基因序列的DNA生物标志物时，两条链结合，发出信号，该信号被设备接收。

“为了进行测量，我们需要两个DNA分子。我们将一条与目标DNA互补的链放在我们的传感器上，这是众所周知的大海捞针，”NIST研究员ArvindBalijepalli说，他是这项新研究的合著者.

当一条目标DNA链与探针结合时，它会引起一种称为场效应晶体管(FET)的半导体器件可以测量的电压偏移。随着分子在传感器上弹出和离开传感器，这些电压变化每秒可能发生数百次。

由于时间分辨率高，这种方法不仅可以告诉您DNA链是否与探针结合，还可以告诉您连接和断开连接需要多长时间——一个称为结合动力学的因素，它是辨别可能与探针结合的不同标记的关键同一探头不同程度。

使用这种方法，您不需要太多空间即可进行大量测量。

“这是一种非常可扩展的技术。原则上，我们可以在一平方毫米的面积内将数百个甚至数千个传感器集成到智能手机大小的设备中，这比目前使用的某些技术要简单得多诊所，”Balijepalli说。

然而，基于FET的方法尚未成为主流。一个重要的障碍是它们的一次性使用性质，直到现在这似乎是必需的，但却增加了它们的成本。

与您开车离开广播电台时收音机的噪音越来越大类似，电信号在电子设备中传播的时间越长，噪音也会越大。沿途拾取的不需要的随机噪声使信号更难测量。

为了限制噪声，基于FET的传感器中的DNA探针通常直接连接到晶体管，晶体管将信号转换为可读数据。缺点是探针在接触样品后会耗尽，因此整个设备也是如此。

在这项新研究中，Balijepalli和他的同事增加了探针和晶体管之间的距离，以便可以重复使用电路中更昂贵的元件。前期的惩罚是距离会增加噪音量;然而，除了成本节约之外，设计选择还有很多好处。

Balijepalli说：“如果阅读器是可重复使用的，我们可以在其中构建更复杂的技术并从读数中获得更高的精度，并且它可以与廉价的一次性传感元件连接。”

由于他们预计模块化设计会降低生物传感器的灵敏度，因此研究人员借鉴了物联网(IoT)手册，其中包含与无线设备相关的损失。NIST作者将他们的电路与CEA-LETI开发的一种特定类型的极低功率FET配对，这种FET用于智能手表、个人助理和其他设备，以放大信号并补偿灵敏度损失。

为了测试其设备的性能，他们将其置于含有与暴露于有害电离辐射相关的DNA链的液体样本中。互补的DNA探针装饰在连接到FET的电极上。在几个样本中，他们改变了目标DNA的数量。

研究人员发现，结合动力学足够灵敏，即使在低浓度下也能进行准确测量。总的来说，模块化设计的性能与基于FET的集成非模块化生物传感器的性能相匹配。

他们研究的下一步是找出他们的传感器是否可以对突变引起的不同DNA序列执行类似的操作。由于许多疾病是由突变的DNA引起或与之相关，因此这种能力对于临床诊断至关重要。

其他研究可能会评估传感器检测与病毒相关的遗传物质的能力，例如可能暗示感染的COVID-19。

与此同时，新技术可以代表一个可行的基础。

Balijepalli说：“有机会开发更复杂的模块化传感器，在不牺牲高质量测量的情况下更容易获得。”