疾病早期发现和诊断手段能够大大降低患者的死亡率，但这一过程需要实现对生物标志物的高度灵敏检测。目前，检测方法多只能是在体外进行，且要求很高浓度的生物标志物或检测限（limit of detection，简称 LOD）。如何在体内作兼容荧光检测且能探测到极低浓度的标志性生物分子对疾病的早期诊断极其重要。
以阿尔茨海默病为例，数十年的临床发展表明，其病理生理学最早出现的特征低于当前生物标志物或 LOD 的阈值；若能进一步降低 LOD，患病者就可以更早开始治疗，或将帮助挽救更多的健康生命。
图 | 从左到右：阮双琛教授；宁存政教授（来源：资料图）近日，深圳技术大学阮双琛教授团队与清华大学电子工程系宁存政教授合作提出了一种全新的超灵敏检测策略，该策略基于生物标志分子和染料分子反应后引起的激光颜色的变化，通过具有激光腔和体内生物反应器双重功能的聚苯乙烯（polystyrene，简称 PS）球体来降低 LOD，能够使定量检测的 LOD 低至1.4 ×10−16mg ml−1，定性检测的 LOD 低至 10–17mg ml−1。
相关论文以《在颜色可切换的微腔-反应器激光器中对生物标志物进行超灵敏的检测》（Ultrasensitive Detection of Biomarkers in a Color-Switchable Microcavity-Reactor Laser）为题发表在 Advanced Science 上，宁存政教授、深圳技术大学新材料与新能源学院朱海鸥教授与阮双琛教授担任共同通讯作者，深圳技术大学分析测试中心工程师李然和博士后宋宗鹏为并列第一作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science）据了解，此次该团队引入的新方法，采用了由生物兼容的 PS 球体与染料混合而成的微球腔，其浸没在生物分子溶液中时，会被生物标志物分子渗透。该方法通过在腔内对激光发射进行指数级放大，来显著增强光致发光（Photoluminescence，简称 PL）信号，然后无需光谱仪，仅用一个简单的过滤器就能完成对生物标志物的检测，仅需肉眼观察就可区分出生物标志物浓度的不同，从而可用于诊断患者的健康状况以及患病的阶段。
为展示该方法的效果，研究人员使用同型半胱氨酸 (homocysteine，Hcy)、半胱氨酸 (homocysteine，Cys) 和谷胱甘肽 (homocysteine，GSH) 以及蛋白酶蛋白天冬酰胺内肽酶 (asparaginyl endopeptidase，AEP) 作为生物标志物的示例。其中，Hcy、Cys 和 GSH 三种生物硫醇具有相似的结构，在各种生理过程中发挥重要作用，其异常水平预示着肝损伤、癌症和骨质疏松症等疾病；而 AEP 在患有阿尔茨海默病和帕金森病的人脑中高度激活和过度表达，当其浓度超过上限时，会被定义为异常的生物标志物，并导致这两种疾病的发生。
结果表明，与没有空腔的传统 PL 方法相比，使用该团队提出的检测方法可将 LOD 降低 5 到 6 个数量级。
图 | 聚苯乙烯球样品的制备及检测机理，图f和h为普通的荧光检测，图g和i为相应的基于微腔激光的检测（来源：Advanced Science）
此外，为比较其方法与传统荧光方法之间的灵敏度差异，研究人员分析了不同生物标志物浓度水平下两种方法的的 PL 发射和激光。他们得出，其方法实现了单生物标志物分子水平的检测，而且针对 AEP 达到的 LOD 比目前最先进的酶联免疫吸附测定法都低。
总体来说，该团队展示了一种使用生物兼容的 PS 球体进行生物标志物超灵敏检测的创新方法，并克服了传统荧光检测的一个关键缺点。在普通的荧光检测法中，光致发光光谱在与生物标志物反应前后存在严重的光谱重叠；而他们的微腔激光方法，在加入生物标志物前后,激光光谱出现较大移动。
相比之下，该团队的方法不仅更简单，耗时更少，而且由于不涉及微小的发光波长位移，无需用到极其精确的昂贵光谱仪，定性检测的成本更低。更重要的是，其采用最自然的方式整合了 PS 球体的双重功能，既能作为生物标志物与染料分子反应的反应器，又能作为增强发射和发光的微腔来报告生物标志物浓度。
图 | 生物标志物的检测灵敏度（来源：Advanced Science）研究人员表示，他们的方法为生物医学检测和早期诊断带来了令人兴奋的新机遇。据介绍，PS 球体浸没到检测环境中，能够使生物标志物渗透至腔内并在其中进行反应，因此可被用于许多生物标志物的超敏检测。而且，当前染料已被广泛用于体内荧光成像，这种基于微激光的方法还可用于生物标志物的体内检测；更重要的是，该方法提供了一个具有更高强度和对比度的新成像途径。
此外，由于微腔模式窄、光谱峰移动大，这种 PS 球体能够通过微腔激光输出，将 “正常-异常”的逻辑信号集成到复用生物检测芯片中，可用于检测具有大量功能组的各种生物标志物，从而实现对筛选疾病的智能分析。
关于未来的计划，宁存政说，“在中国科协刚公布的 10 个重大科学问题里，第一个问题便是如何早期诊断无症状期阿尔茨海默病，希望我们未来能跟生物医学专家们合作，把我们的测量的生物标记分子的密度跟临床的症状及其演化联系起来，能为阿尔茨海默病及其它疑难病的早期诊断有所贡献。”
