深圳先進院科研團隊在針對傳染病防控的生物分子感測技術研究中取得新突破

1月30日至31日，中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱“深圳先進院”）生物醫學與健康工程研究所感測中心楊慧研究員、譚驍天副研究員課題組先後在生物感測領域國際期刊ACS Sensors和Analytical Chemistry上發表2篇論文，介紹團隊在微流控生物分子感測領域取得的系統性突破。

研究論文分別從理論建模和技術創新層面攻克了微量液相生物樣本中生物標誌物分析難題，建立了管狀微流控免疫反應器的多影響因素耦合模型，並基於感測中心自研的行動式微流控化學發光免疫分析平臺（TOI）開發出了可進行全血直檢的結核病T細胞免疫響應定量檢測技術，為結核病快速、便捷免疫篩查提供了新思路。

圖1. 兩篇論文的pdf截圖

由於冠狀病毒、流感、支原體肺炎、結核病等傳染性疾病的層出不窮，因為疫苗接種減少、病原體耐藥性增強等因素，結核病等應在前期被有效管控的傳染病，近年來又有了發病率抬頭的趨勢。對這些傳染性疾病進行便捷有效的診斷，並準確預測個體及群體針對傳染性病原體的特異性免疫防護能力，成為當前迫在眉睫的任務。

微流控生物感測技術憑藉其樣本需求量小、可快速響應和裝置便攜等優勢，已成為傳染病診斷及免疫反應檢測領域的前沿技術。然而，該類技術從技術驗證走向實際應用始終面臨兩大核心挑戰：其一，微流控系統設計缺乏普適性理論指導，反應器幾何引數（如反應器半徑）與分子結合效率的定量關係尚未明確，導致器件開發嚴重依賴經驗試錯；其二，複雜生物樣本（如全血）中的基質干擾和分子探針效能不足，使得檢測靈敏度、特異性與信噪比難以滿足臨床需求。

尤其在高靈敏度的生物標誌物檢測中，傳統微流控系統常因抗體效能不足引發噪聲，導致假陽性率升高。針對這些問題，深圳先進院研究團隊透過建立管狀微流控免疫反應器多影響因素耦合模型，揭示了"反應器尺寸-反應條件-分子探針效能"的三維協同機制，不僅為微流控生物感測器件的設計提供了量化標準，也為免疫分析抗體探針的開發提供了理論指導，為突破生物感測技術的效能瓶頸提供了新啟示。

理論突破：揭示高靈敏度生物感測的關鍵引數

研究團隊透過建立基於"首次透過時間法"（First Passage Time,FPT）的管狀微流控免疫反應器動力學模型，量化了高靈敏度生物感測的關鍵引數。透過引入溶液內蛋白分子與感測器的結合機率（Pon）及解離機率（Poff）的概念，實現了對抗體探針效能特徵的量化建模。

研究發現，實現高靈敏度檢測不僅依賴於微流控反應器的高表面積體積比（S/V），更需要高親和力、高特異性的抗體探針。探測過程所需的溶液體系及反應時間也需進行精確控制，才可實現高信噪比（>1000）的定量探測。這些發現為下一代生物感測器的設計提供了明確的量化標準，解決了領域內長期缺乏理論指導的問題。

圖2. 管式微流控免疫分析中分子吸附過程的定量理論模型

該論文於1月30日發表於ACS Sensors，共同第一作者為國家高效能醫療器械創新中心、深圳先進院聯培博士後呂英楷及深圳大學碩士研究生、深圳先進院客座研究生張彬茂。共同通訊作者為深圳先進院楊慧研究員、李皓副研究員，第一通訊作者為譚驍天副研究員。

應用突破：實現了基於微量血液樣本中T細胞免疫反應的結核病特異性免疫診斷

基於理論模型的指導，研究團隊開發出了一套行動式微流控化學發光免疫分析系統（TOI），及配套的一體式微尺度干擾素釋放測試技術（CM-IGRA）。可用於結核病T細胞免疫響應的精準檢測。該技術探測目標為血液中T細胞針對結核分歧桿菌特異性抗原肽分泌的干擾素γ（IFN-γ）。僅需50 μL血液樣本即可完成檢測。從採血開始的全分析流程僅需約12小時，較傳統方法的20-24小時縮短近一半。透過最佳化抗體探針和訊號放大策略，系統對IFN-γ的檢測靈敏度達到8.00 pg/mL（血漿樣本），動態範圍橫跨近4個濃度量級。

在與深圳市寶安區人民醫院合作開展的臨床研究中，研究團隊對八十餘名結核病疑似患者的血液樣本進行了測試，結果顯示該技術與金標準方法的一致率達98.39%，且所需樣本量減少至傳統方法的二十分之一。這一技術創新為結核病在醫療資源緊張地區的快速篩查提供了高效且低成本的方案。此外，深圳先進院科研團隊正基於行動式微流控化學發光免疫分析平臺，開展其它傳染病防控的相關研究工作，目前研究均進展順利。