来自美国约翰霍普金斯大学的工程师及心脏病学专家合作研发了一种指甲大小的生物传感器，这种传感器能够在心脏手术过程中患者脑部受到严重损伤时，及时提醒外科医生。通过此方法，该传感器能够帮助医生设计出尽量减小脑损伤的新的手术方案或在术中及时对脑部损伤进行及时诊治。

根据《Chemical Science》杂志的报道，该研究团队的实验室测试结果表明，初代的生物传感器可以成功地探测到与脑部损伤相关的蛋白。

“理想的效果是，在手术进行过程中，通过把患者的血液滴到传感器上来探测是否有脑部损伤，如果血中存在有上述这种与脑部损伤相关的蛋白时，传感器可以发出声光警报或者显示数据变化。” 这项研究的负责人之一、来自霍普金斯大学怀廷工程学院的有机薄膜晶体管学专家Howard E. Katz教授表示，有机薄膜晶体管学是该生物传感器的理论基础。

有机薄膜晶体管

这个研发项目开始于两年前，主要负责人分别是时任材料科学与工程系主任Katz教授的和来自约翰·霍普金斯儿童中心、专门研究肺动脉高压和脑损伤相关生物学标记的心脏病学专家Allen D. Everett教授。由于在心脏手术过程中，成人及儿童均可出现伴随发生的脑部损伤，所以Everett教授建议，可以将这种生物传感器应用于各个年龄层的患者身上，而他更关注外科手术对脑部正在发育的儿童造成的损害。

“很多年轻患者需要一次或多次心脏手术来矫正其先天性心脏畸形，并且大部分患儿在他们出生后不久就已经进行了第一次心脏手术。”他说，“在这些接受过心脏手术患儿的成长期，可以观察到由于心脏手术及术后护理导致的脑神经发育问题。对于这些患有重病的孩子，我们对其进行的先天心脏病矫治手术已经在很大程度上提高了其整体存活率，这是一个让人非常鼓舞的事情，但是在如何改善这些患者长期预后和生存质量的这条道路上，我们仍然有很长的路要走，这也是在21世纪我们面临的最大的挑战。”

先天性心脏病图示

Everett教授谈到最近研究发现，在心脏手术之后，MRI检查发现大约有40%的婴幼儿患者出现脑部发育异常。这些损伤通常是由中风而导致的，后者常是由手术期及恢复期出现的各种不良事件所引发并恶化，而在上述期间脑部是最容易受到损伤的。这些脑部损伤会导致儿童心智发展、运动机能发育的缺陷，同时还可引起多动症和语言障碍。

为了解决这些问题，Everett教授希望与工程师合作设计一种能够探测到胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）的生物传感器，而GFAP蛋白是一种与脑部损伤相关的生物标记。“当发生脑部损伤的时候，这种生物传感器能够及时提醒我们，”他说：“这样我们就能够对这些损伤进行更好的应对和治疗。我们可以据此改善对患者血压的控制或重新设计体外循环设备；可以据此学习如何优化手术中降温及复温的过程，并且通过该传感器研究和测试新的保护性措施的实际效果。”

Everett教授还谈到，目前外科医生需要要等上好几年才会发现一些与脑部损伤相关的症状，这也由此减慢了研究新的操作或治疗方法能够有效降低脑部损伤的过程。而这一新的生物传感器将会改变这种现状。 Everett教授说：“该生物传感器的检测过程非常迅速，几乎就是瞬间完成的。”

为了研发上述的生物传感器，材料学家Katz教授选择了有机薄膜晶体管（organic thin film transistor，OTFT）用于传感器的设计。在最近几年，基于该技术平台设计生产的传感器能够探测到与爆炸相关的气体及化学物质。基于其潜在低成本、低能耗、较好的生物相容性以及能够实时检测各种生物分子性能，选择这种晶体管材料能够满足Everett教授的设计和研发需求。此外，该晶体管材料的结构特性还允许其能够容纳多种不同的、重要的电子元件。

传感器的感应区是一个小正方形，边长为八分之三英寸。而在传感器的表面是一层能够靶向吸附GFAP蛋白的抗体。当抗体吸附了该GFAP蛋白后，前者就会改变传感器内部其他材料层的物理结构，从而改变通过传感器的电流量。通过监测这一电流量的改变，术者就可以检测患者血中是否出现了GFAP蛋白。

GFAP蛋白的抗体

“实验证明，这种传感器是非常灵敏的。”Katz教授说道：“即使在GFAP周围有其他的蛋白分子时，其也能够识别出GFAP蛋白的存在。我们目前已经能够确定，这种传感器是目前基于有机薄膜晶体管设计的蛋白质探测装置中最灵敏的了。”

在霍普金斯大学技术转化办公室的帮助下，该研究团队的成员为这种新的生物传感器申请了完整的专利保护。Katz教授谈到其研究团队正在积极寻求行业合作者，以对这种生物传感器进行更深入的研究及开发，而目前这一新型设备还未进入临床试验阶段。但是在行业合作者的努力和支持下，Katz教授相信这一传感器能够在五年之内应用于临床。他表示：“能够从事这一有利于患者的重大医学研究项目，我感到非常的自豪！”

儿科心脏病学专家Everett教授则表示，这一生物传感器将来也可能会应用于手术室之外的场所或情景，比如在受伤后，快速检测运动员或事故受害人是否出现了脑部损伤。“这种传感器可以发展为床旁检测设备或伤后即时检测设备。”他说道：“这一设备的研发，可能对医院急诊科用于筛查患者是否有脑部损伤非常有用。”

（供稿人：金秀峰）