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创伤性脑损伤（TBI）的早期诊断依赖于胶质纤维酸性蛋白（GFAP）的精确检测。研究人员开发了基于石英音叉（QTF）的生物传感器，该传感器检测范围为 0.05 fg mL?1至 25 fg mL?1 ，为 TBI 诊断提供了新途径。
在当今社会，创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury，TBI）如同隐藏在暗处的 “杀手”，严重威胁着人们的生命健康和生活质量。TBI 不仅是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因之一，其诊断过程还充满挑战。TBI 分为原发性和继发性损伤，原发性损伤在创伤发生的数小时内出现，会对轴突、神经胶质细胞和血管造成不可逆的损害；继发性损伤则在初始损伤后的数小时至数天内发生，如缺血、水肿、出血和颅内压升高等，这些情况通常需要借助影像学手段来检测，但传统的神经影像学方法，如磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT），虽然能够在一定程度上诊断疾病，却存在诸多局限性。它们不仅需要大量的资源支持，而且在紧急情况下往往难以获取，特别是在低收入国家或农村地区，患者很难及时得到这些检测。与此同时，中风作为全球第三大导致残疾和死亡的疾病，同样给医疗系统带来了巨大压力。
在这样的困境下，寻找一种高效、便捷且准确的诊断方法迫在眉睫。基于血液生物标志物的检测成为了新的希望，而胶质纤维酸性蛋白（Glial Fibrillary Acidic Protein，GFAP）作为一种独特的血液生物标志物，在 TBI 和其他神经系统疾病的检测中具有重要意义。GFAP 是中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）中星形胶质细胞表达的一种 III 型中间丝蛋白，在多种脑部相关疾病中，其表达水平会发生变化。例如，在创伤性脑损伤、脑内出血、多发性硬化症等疾病发生时，GFAP 水平会升高，而在健康成人的血浆中，其水平通常不会明显升高。因此，准确检测 GFAP 的浓度，对于早期诊断这些疾病至关重要。
为了攻克这一难题，来自国外的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种新型的基于石英音叉（Quartz Tuning Fork，QTF）的生物传感器，用于检测 GFAP，相关研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics: X》上。
研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，利用 11 - 巯基十一烷酸（11 - MUA）对 QTF 进行功能化修饰，通过金 - 硫醇化学原理，使 11 - MUA 在 QTF 的金表面形成稳定的层，为后续抗体的结合提供基础。其次，运用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）对传感器固定过程中 QTF 表面的形态进行可视化观察，通过测量和分析表面粗糙度等指标，评估生物传感器制造过程中的表面覆盖情况。此外，使用振荡器测量频率变化，以此来反映质量的变化，进而实现对 GFAP 的检测。
下面来看具体的研究结果：
- 优化 QTF 系统：研究人员对多个关键参数进行了优化。在 11 - MUA 修饰剂浓度的优化中，发现 0.5 mM 的 11 - MUA 浓度能够获得更稳定的测量结果和更平滑的信号，过高或过低的浓度都会影响测量效果。对于抗 GFAP 抗体浓度，7 pg mL?1 的浓度在保证检测效果的同时，能够获得较好的线性关系，过高或过低浓度都会导致信号下降。在孵育时间方面，抗 GFAP 抗体的最佳孵育时间为 45 分钟，GFAP 抗原的最佳孵育时间为 30 分钟，这样能确保抗原 - 抗体的高效结合。
- 确定线性范围：在确定了理想的参数后，研究人员绘制了校准曲线。结果显示，该 QTF 系统在 0.05 fg mL?1 至 25 fg mL?1 的范围内呈现出良好的线性关系，这意味着在这个浓度区间内，能够准确地检测 GFAP 的浓度。
- 评估性能指标：该 QTF 系统在重复性、再现性和选择性方面表现出色。重复性方面，通过对十个不同的 QTF 传感器系统进行测试，计算得出频率偏移的平均值为 1.1818 Hz，标准偏差为 ±0.0935966 Hz，变异系数为 7.91% ，表明该系统具有较高的重复性。再现性方面，不同研究人员在不同时间进行分析时，该系统能够产生相似的响应，相对标准偏差（RSD%）为 5.78% ，证明了其良好的再现性。选择性方面，通过对 GFAP、葡萄糖、牛血清白蛋白（BSA）、抗坏血酸、人附睾蛋白 4（HE4）、性别决定区 Y 框蛋白 2（SOX2）等成分及其混合物的测试，发现该传感器对 GFAP 具有很强的特异性响应，对其他潜在干扰物的交叉反应极小。
- 检测商业人血清中的 GFAP：研究人员使用标准添加法评估了 QTF 生物传感器在商业血清中检测 GFAP 的可靠性。由于人血清中 GFAP 的浓度超出了 QTF 系统的检测范围，因此将血清样本稀释 105倍后进行检测。结果表明，该系统能够成功地在实际血清样本中进行 GFAP 分析。
在研究结论和讨论部分，研究人员开发的 QTF 传感器系统为 GFAP 的检测带来了新的突破，极大地推动了 TBI 早期检测的发展。该传感器具有高灵敏度、良好的重复性和能够分析实际人血清样本的能力，为临床应用提供了可靠的工具。其线性范围广（0.05 fg mL?1 - 25 fg mL?1），能够检测到极低浓度的 GFAP，这是以往许多检测技术所无法比拟的。通过 11 - MUA 对传感器系统的修饰，显著提高了金表面 QTF 传感器的响应，使得检测能够快速、准确地进行，并且所需样本量极少。然而，研究也指出，仍有一些潜在的局限性需要进一步研究，例如生物样本对干扰物质的敏感性、临床环境中结果的可重复性以及生物样本的变异性等。尽管面临这些挑战，但随着该领域研究的不断深入，有望开发出更先进、更精确的方法，用于 TBI 的诊断、监测和治疗。如果这项技术能够成功融入常规临床实践，将通过早期检测和更有针对性的治疗干预，显著改善患者的预后，为众多神经系统疾病患者带来新的希望。
