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CRPS特刊：聚焦生物电子学

泰然健康网
2025-07-21 06:03

原创 Cell Press CellPress细胞科学

交叉学科

Interdisciplinary

当前，生物电子学领域的应用不断深化，相关研究的热度正在迅速增长。生物电子学涉及生物系统与电子学之间的界面，涵盖的主题包括但不限于生物传感器、植入式设备、可穿戴和表皮电子学、电生理学以及电子学疗法等。通过使用电子学电路，人们可以控制、测量甚至刺激生物过程，有望为生物医学和医疗保健领域中的基础研究和实际应用开辟新的方向和道路。本期特刊由Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science的编委会成员——来自英国剑桥大学的Sohini Kar-Narayan教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学的Sahika Inal教授共同担任客座编辑。特刊中汇编了一些综述和研究论文，深度聚焦生物电子学和生物传感器领域的最新研究进展。

前瞻性论文：利用生物电子学界面匹配实现先进可植入设备设计

生物电子学技术为医学提供了前所未有的时空分辨率，为电子学疗法和监测系统开启了新的大门。然而，生物电子医学的发展需要在设备和生物组织之间构建一个稳定的界面。基于此，来自美国达特茅斯学院（Dartmouth College）的Alexander J. Boys教授发表了题为“Bioelectronic interfacial matching for superior implant design”的前瞻性论文，重点讨论了如何建立一个框架以研究这类生物电子学的设备-组织界面，特别是针对生物电子学植入物的情况。该论文讨论了在构建生物电子学植入设备时必须考虑的基础标准，重点关注与组织相关的界面结构。与此同时，论文作者提出，在生物电子学界面的设计过程中，可以协同考虑多种机械、电子和化学策略，并将其进行了分类。该论文旨在提供一个界面结构设计的有效框架，以促进使用植入式设备的生物电子医学新领域的发展。

研究论文：肿瘤电场治疗增强自然杀伤细胞对癌细胞的杀伤力

肿瘤电场治疗（tumor-treating fields, TTFs）是一种针对胶质母细胞瘤（glioblastoma, GBM）的非侵入性疗法，该疗法采用低强度、中频交流电场。通常，胶质母细胞瘤患者的5年存活率不到7%，因此通过多模态疗法来提高存活率等治疗策略的发展迫在眉睫。自然杀伤细胞（nature killer cells, NK）是一种能杀死癌细胞的先天性淋巴细胞，因而成为新型免疫疗法的主要研究目标。基于NK细胞的TTFs疗法是治疗GBM潜在手段。针对该联合疗法的研究，来自爱尔兰都柏林圣三一大学（Trinity College Dublin）的Clair M. Gardiner教授研究团队发表了题为“Tumor-treating fields increase cytotoxic degranulation of natural killer cells against cancer cells”的研究论文，系统考察了TTFs对NK细胞活力以及功能的影响。文中，作者发现TTFs的存在并不会影响NK细胞的活力，也不会影响使NK细胞发挥关键功能的γ干扰素（IFN-γ）的产生。重要的是，作者发现TTFs会增加NK细胞的脱颗粒水平，而脱颗粒水平是细胞杀伤力的一种衡量指标。研究数据表明，TTFs与NK细胞疗法的结合可能会增强对肿瘤细胞的杀伤力。该研究工作为TTFs与NK细胞疗法的结合提供了基础，最终目标旨在提高通过基于NK细胞免疫疗法治疗GBM患者的应用潜力。

研究论文：电解质门控有机晶体管探究抗体-抗原动态相互作用

亲和生物传感器利用表面结合生物分子进行分析物检测，是临床诊断和药物开发的重要工具。在此背景下，电解质门控有机晶体管（electrolyte-gated organic transistors, EGOT）正逐渐兴起，成为一类具有超灵敏度的无标记生物传感器。本文中，来自意大利摩德纳-雷焦·艾米里亚大学（Università di Modena e Reggio Emilia）的Alessandro Paradisi教授和Carlo Augusto Bortolotti教授研究团队发表了题为“Dynamic studies of antibody-antigen interactions with an electrolyte-gated organic transistor”的研究论文，研究中搭建了一种集成在微流控系统中的EGOT传感器。该传感器利用巨细胞病毒（cytomegalovirus, CMV）磷蛋白65（pp65）作为生物识别元件，检测溶液中的人类抗巨细胞病毒抗体这一病理生物标记物。生物识别元件通过多聚组氨酸标签技术嫁接到栅极电极上。通过实时监测EGOT反应，并结合两室动力学模型分析，可以确定分析物浓度、结合动力学和相互作用热力学。研究团队通过对过程相关动力学参数进行分析，得出了相对可靠的热力学平衡常数，阐明了测得值与朗缪尔结合模型的偏差来源。

研究论文：功能性酶驱动测定实现物理极限下肽翻译后修饰的无标记电子检测

具有高性能、超灵敏性以及通用普适性的蛋白质翻译后修饰（protein post-translational modification, PTM）以及蛋白质-蛋白质相互作用（protein-protein interaction, PPI）技术是制药业和生物分析研究所追求的目标。新型PTM和PPI检测方法在检测范围和可扩展性方面优于传统检测方法，可收集多个生化靶标的信息。在单分子水平上检测肽和蛋白质是通过利用纳米级传导元件在纳摩尔级或更高浓度的分析溶液中进行检测。来自意大利巴里大学阿尔多·莫罗分校（Università degli Studi di Bari Aldo Moro）的Luisa Torsi教授联合芬兰图尔库大学（University of Turku）的Harri Härmä教授以及埃博学术大学（Åbo Akademi University）的Ronald Österbacka教授研究团队发表了题为“Label-free electronic detection of peptide post-translational modification with functional enzyme-driven assay at the physical limit”的研究论文，报道了一种针对单分子PTM检测生物传感平台的原理验证。该平台基于单分子大晶体管（single molecule with a large transistor, SiMoT）技术，包括一个毫米级大小的电解质门控有机场效应晶体管，用于无标记PTM检测，其检测限可低至zeptomolar（10−21 M）级别。相比于质谱法和光谱检测技术，灵敏度提高了106至1012倍。该研究工作利用多元数据处理技术，实现了一种针对zeptomolar级浓度范围内酶驱动多肽PTM的功能性检测方法，为未来监测PTMs的应用开辟了道路。

研究论文：“信号开启”电化学检测BACE1，用于阿尔茨海默的早期检测

β-分泌酶，即β位淀粉样前体蛋白（β-site amyloid precursor protein, APP）裂解酶1（BACE1），是阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）患者大脑中β-淀粉样蛋白（β-amyloid, Aβ）生成途径中的一个关键水解酶。BACE1被认为是阿尔茨海默症早期检测的一种颇具前景的生物标记物。基于此，来自新西兰奥克兰大学（The University of Auckland）的Jadranka Travas-Sejdic教授联合商丘师范大学的徐茂田教授研究团队发表了题为“‘Signal-on’ electrochemical detection of BACE1 for early detection of Alzheimer’s disease”的研究论文，合成了一种二茂铁探针（Fc-Probe），探针上的醛基能特异性识别APP肽片段的N端。该生物传感器的设计包括玻碳电极表面的金纳米粒子，使其能与APP肽片段相结合。当BACE1分解乙酰化APP肽时，N端就会暴露出来，并触发电化学信号。该BACE1传感器提供了一种简单、灵敏、低成本的检测方法，实现了对BACE1活性的“信号开启”检测模式。

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