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刘国珍/田康团队Device：一种慢性病便携式早期精准诊断的炎症量化方案

2024-03-26 11:21

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

2024年3月12日，来自香港中文大学（深圳）医学院的刘国珍教授团队与大连医科大学附属第一医院的田康教授团队合作，在Cell Press细胞出报社旗下期刊Device上发表了题为“CRISPR/Cas12a immunosensing on glass fiber for point-of-care quantification of multiple inflammation biomarkers in osteoarthritis”的研究论文。本研究开发了一种基于玻璃光纤的通用检测系统（GUSCI），该系统将CRISPR/Cas12a信号放大技术应用于免疫生物传感器，联用实验室自研的便携式荧光检测设备，实现手机信号输出，同时检测多种炎症生物标记物，在微量（~10 微升）复杂样品中能便携式快速定量分析骨关节炎（Osteoarthritis，OA）的炎症状态，为骨关节炎患者提供及时准确的临床早期诊断方案。

研究亮点

提出了一种慢性病（如骨关节炎）便携式早期精准诊断的炎症量化方案-GUSCI；

将CRISPR/Cas生物技术和液态金属纳米颗粒信号放大技术联用，实现了高灵敏同时检测微量临床样本中多种炎症生物标志物；

开发了集成化便携式荧光读取设备，结合荧光信号读数的智能手机App，实现智能化高灵敏多种蛋白质同时检测。

研究简介

分析炎症生物标志物、评估免疫状态一直是临床研究的难题。细胞因子作为免疫系统的信使，其失衡可引发慢性炎症，导致多种疾病和衰老。然而，传统的检测方法存在挑战：细胞因子易降解，可能导致假阴性结果；其浓度低且在不同样本中存在差异；疾病发展往往涉及多种细胞因子的协同作用。

由此，来自香港中文大学（深圳）医学院的刘国珍教授团队与大连医科大学附属第一医院的田康教授团队合作，在Device期刊发表新研究论文。本研究开发了一种基于玻璃光纤的通用检测系统（GUSCI），该系统将CRISPR/Cas12a信号放大技术应用于免疫生物传感器，联用实验室自研的便携式荧光检测设备，实现手机信号输出，同时检测多种炎症生物标记物，在微量（~10 微升）复杂样品中能便携式快速定量分析骨关节炎（Osteoarthritis，OA）的炎症状态，为骨关节炎患者提供及时准确的临床早期诊断方案。

作者通过修饰有捕获抗体的玻璃光纤实现在体积为10 μL的待测液中捕获多种目标炎症蛋白分析物。随后，与标记有单链DNA的检测抗体形成免疫夹心结构。玻璃光纤插入检测芯片，基于CRISPR/Cas12a的信号放大，产生多种分析物的荧光信号，由辅助装置测量，通过智能手机进行实时分析，实现多炎症标志物同时检测。

图1 GUSCI系统原理图。

作者选用液态金属纳米颗粒（EGaIn-PABA）修饰的玻璃光纤作为传感界面，建立三明治夹心结构IL-6免疫生物传感器，对比了传统HRP酶标抗体信号放大和ssDNA标记抗体的CRISPR/Cas信号放大在检测灵敏度的差异。和传统HRP酶信号放大的检测限（62.5 pg/mL）相比，团队开发的CRISPR/Cas12a扩增系统的检测限为0.49 pg/mL，其灵敏度提高了约100倍，表明该研究开发的玻璃光纤|液态金属|CRISPR/Cas12a系统可以有效增强常规的蛋白质免疫分析，提高目标分析物定量检测的灵敏度和稳定性，扩大蛋白质分析的检测范围。

图2 HRP与CRISPR/Cas12a在玻璃光纤表面信号扩增分析性能的比较。

作者所研发的GUSCI能够以最小的样品体积（~10 μL）同时检测多种炎症蛋白质（例如IL-4、IL-6、TNF-α、IFN-γ、MMP-3），具有高灵敏度（pg/mL）、高特异性，和便携式荧光检测仪联用实现手机信号输出，让快速多种蛋白质床旁检测（Point-of-Care Testing，POCT）成为可能。通过制备针对不同分析物的个性化玻璃光纤探针，可以制定个性化检测面板，解决了传统多蛋白质生物标志物检测通常需要大量样本体积、无法实现便携而且昂贵等技术瓶颈问题。

图3 GUSCI的多重蛋白检测性能。

作者采用配备高分辨率定焦镜头的相机模块作为便携式检测仪进行照片成像，保证成像稳定性，从而消除不同用户智能手机中摄像头设备参数不同造成的检测偏差，消除信号读数对结果的误判。此外，该设备增加无线信号传输模块，操作便捷，并实现在手机端实时获取检测结果，满足POCT应用场景需求。

图4 便携式荧光检测仪的性能分析。

作者进一步将开发的便携式多蛋白质同时检测设备GUSCI，用于检测OA临床样本中多个炎症生物标志物来评估其性能。比较了常规ELISA测试与GUSCI平台在测量OA患者滑膜液中生物标志物浓度方面的表现。结果证明通过检测关节积液中相关的炎症蛋白，GUSCI可以作为一种便捷工具，来量化炎症，在提高OA检测准确性、改善患者治疗结果和促进早期干预方面的应用潜力巨大。GUSCI有望成为一种通用的POCT工具，用于慢性病早期诊断及预防、健康管理和抗衰。

图5 GUSCI平台和ELISA检测OA患者临床样本中炎症生物标志物。

该工作得到了国家自然科学基金、深圳湾开放实验室基金、广东省基础与应用基础研究基金企业联合基金、港中深-博雅生命联合实验室等资金的资助。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请刘国珍教授代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

本文中，您和团队开发了基于CRISPR/Cas12a的GUSCI技术，实现了对人体初期炎症的即时检测。目前，该技术在实际临床应用中进行到哪一阶段？将会为临床医疗带来怎样的影响？

刘国珍教授：

GUSCI技术是一个便携式多元化体外检测平台。研究团队正在拓展GUSCI在不同应用场景（除了骨关节液，也可以检测脑脊液、泪液等）的应用，实现多种个性化靶标蛋白质检测，推动GUSCI进一步的技术转化和临床应用。GUSCI技术能够实现对人体初期炎症的即时检测，大大提高疾病早期精准诊断的速度、准确性和便携性。医生可以更快地确认炎症的发生并及时采取措施，从而阻止炎症的进一步恶化和并发症的发生。此外，该即时检测技术有助于降低医疗成本，减少不必要的医疗检查和治疗，提高医疗资源的利用效率，使资源欠贫乏地区的精准诊疗成为一种可能。

CellPress：

GUSCI技术的优势有哪些？其性能是否受到样本类型的影响？例如，在不同类型的生物样本（如血清、血浆、尿液等）中，检测灵敏度和准确性是否存在差异？

刘国珍教授：

GUSCI技术最大的亮点在于其可在微量的样本中实现多物质的同时高灵敏便携检测。研究团队先后评估了血清、脑脊液、关节积液、房水等样本中多种蛋白质的检测性能，结果表明GUSCI不受样本类型限制，GUSCI在复杂样本体系检测优势明显。在后续的拓展研发中，研究团队会进一步探索其GUSCI在更多生物样本类型的适用性。

CellPress：

GUSCI在临床实践中的应用前景如何？能否满足不同患者群体和医疗环境的需求？

刘国珍教授：

GUSCI技术在临床实践中有着广阔的应用前景。该技术不局限本研究中骨关节炎的炎症评估，同时可以拓展到许多与炎症相关联的慢性病或癌症的早期精准诊断，也可以用于其他个性化的生物标识物的检测。开发GUSCI体系的初衷是考虑到用户使用的便捷和低成本，在设计上采用“傻瓜式”的设备读取信号，使GUSCI可以满足不同医疗场景下的临床应用需求。

CellPress：

GUSCI在实际临床应用中的成本效益如何？进一步地，在验证和临床评估方面，GUSCI还面临哪些挑战？又该如何解决呢？

刘国珍教授：

开发GUSCI技术时，我们考虑到目前蛋白质检测高成本的痛点。在研究过程中，我们特别注重了GUSCI技术实践临床应用的经济适用性，并采用了最佳的技术组合。和市场上蛋白质检测技术相比，我们开发的GUSCI将多个蛋白质同时检测的成本降低了10倍，而且无需昂贵的大型仪器。在验证和临床评估方面，GUSCI目前面临的挑战包括原材料性能的稳定性、临床样本的来源等。GUSCI进一步的产品化开发，需要更精确地控制原材料的来源和质控，同时也需要获取更多临床样本的验证。通过跨学科及跨界的合作（医工合作、产学研合作等），通过大量临床样本的验证，我们有信心实现GUSCI技术的产品转化。

CellPress：

最后，请与我们分享您选择Device来发表这项工作的原因。

刘国珍教授：

Device是Cell、Chem、Joule和Matter的姊妹刊，发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。Device的目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。这个非常符合我们团队的研究理念，通过融合医学、化学、工程技术等多学科知识，建立一个符合临床应用需求的多种蛋白质检测平台。我们也相信借助Cell Press对于Device期刊的高定位推广，我们的研究工作能够得到更多领域的广泛关注，能帮助到感兴趣的研究者进一步的技术开发。

作者介绍

刘国珍

教授

香港中文大学（深圳）医学院教授，博士生导师。刘国珍教授带领的集成器件和智能诊断（Integrated Devices and Intelligent Diagnosis，ID2）研究团队主要从事生物医学工程交叉学科和可转化生物技术的研究，一直致力于开发和研究前沿的生物传感器技术、体外诊断技术、微流控芯片技术、智能纳米技术及医疗器械来精准诊疗、管理及预防一些慢性疾病如糖尿病、神经退行性疾病及衰老等。2016年获得澳大利亚未来学者（ARC Future Fellow）人才称号。凭借在神经炎症精准诊疗的突出贡献，刘教授获得2020年度乔治娜斯威特定量生物医学女科学家奖；2022和2023连续两年入选全球前2%顶尖科学家榜单及全球学者学术影响力排行榜。近年来她在国际学术期刊发表SCI论文160余篇。通过与国内外生物科技公司（如AstraZeneca, BioLegend, AgaMatrix, Regeneus，博雅生命，凯普生物等）合作，拥有丰富的产学研经历，拥有多项国际专利。

邹斯亦

博士研究生

香港中文大学（深圳）医学院生物科学专业博士研究生，主要研究方向为细胞因子多重检测方法的开发以及活体中蛋白质动态监测，开发慢性病发生物标识物，用于退行性疾病的早期诊断。

田康

副教授

大连医科大学附属第一医院副教授、医学博士、硕士研究生导师，辽宁省百千万人才、香港中文大学访问学者。中华预防医学会骨与关节疾病预防与控制专业委员会青年委员，中国医师协会骨科医师分会青年委员会兼运动医学学组委员，中国医药教育协会科普健康教育工作委员会委员，辽宁省医学会运动医学分会委员，大连市医学会运动医学分会委员，大连市骨科临床质控中心秘书等。主持关节软骨损伤修复方向国家自然科学基金1项、辽宁省自然科学基金面上项目1项，大连市重点学科项目1项。开展关节软骨损伤自体软骨细胞移植修复新技术1项，髋关节镜临床新技术4项，发表运动医学领域SCI文章17篇，参编关节外科译著3部，以第一完成人获得专利4项。