临床上检验细菌感染的常规方法主要包括直接涂片镜检、培养、免疫学检查和针对细菌遗传物质的PCR技术。其中，确诊方法是细菌培养。但是，上述方法均不同程度地存在耗时长、操作繁琐、成本高等问题。而新型电化学DNA生物传感器恰恰可以弥补这些缺陷，省去PCR扩增富集的步骤，直接而快速地对病原体DNA进行检测。

出血性大肠杆菌O157(Enterohemorrhagic Escherichia coli O157，E.coli O157)是一种能产外毒素（VT1/2）的病原体，由于其能引起急性或慢性肾衰竭，故可致死。为了对出血性大肠杆菌相关综合征进行快速诊断，Liao等研发出一种新型的电化学竞争基因传感器，以自组装有单层硫醇化单链DNA（捕获探针）的金电沉积丝网印刷电极（nanoAu/SPE）和捕获探针检测E.coli O157特异的rfbE基因。目的基因和标记有六氨合钌（Ⅲ）氯化物密封脂质体的指示DNA之间竞争结合探针分子。用方波电压检测脂质体中[Ru(NH3)6 3+]产生的电流信号，测得传感器检测rfbE基因的线性范围是1~10^6fmol。这种脂质体竞争试验放大了超痕量rfbE基因的检测信号，因此目的基因的检测下限可低至0.75amol（1amol=1×10^-18mol），相当于5μL浓度为0.15pmol/L溶液中的rfbE基因总量。

淋病奈瑟菌是常见的性传播性疾病—淋病的病原体，对其早期诊断有助于及早治疗和疾病的预防。为实现其快速检测，Singh等构建了检测性传播性疾病的电化学DNA传感器。这种传感器基于自组装淋病特异目的opa序列的DNA探针对淋病奈瑟菌引起的性传播性疾病进行检测。6一巯基—1一己醇（MCH）可以阻断寡核苷酸片段停滞于电极表面，这种构型有助于下一步目的DNA杂交，且可以排斥非目的DNA的非特异吸附。由于电活性DNA杂交指示剂亚甲蓝与DNA结合稳定，差分脉冲电压分析结果显示，此传感器检测下限低（1.0×10^-18mol/L）、检测范围宽[（0.5×10^-18~1.0×10^-6mol/L]。与此同时，对基因组DNA、临床淋病奈瑟菌阳性患者标本、培养的非淋病奈瑟菌属革兰氏阴性细菌标本分别进行检测，证实此传感器能够对性传播性疾病进行特异诊断。Ansari等将20个碱基的淋病奈瑟菌特异性硫醇化寡核苷酸探针（th-ssDNA）包被在铟锡氧化物（ITO）玻璃衬底上浸涂的纳米级氧化锌（ZnO）膜上，构建出检测淋病的DNA生物传感器。该传感器在60秒内即完成检测；检测的目的DNA线性范围是0.000524fmol~0.524nmol，检测最低限为0.000704fmol。

临床常见的细菌感染也可用电化学DNA传感器进行床旁快速诊断。K.E.Mach等将针对几种常见尿路感染细菌的16SrRNA的DNA探针包被在电化学传感器微阵列表面，构建了检测尿路细菌感染的多通道电化学生物传感系统，并率先进行了床旁检测的前瞻性临床试验：对纳入试验的116名患者的109份合格尿标本进行检测，并与金标准尿培养作对比。该方法特异度和阳性预测值为100%，敏感度为89%，阴性预测值为76%。

除此之外，结核杆菌、小肠耶尔森菌等也可用电化学DNA生物传感器进行检测。

病毒感染的实验室检查包括病毒抗原和抗体的检测、病毒核酸的PCR检测等。临床上最常见的病毒及其他病原体检测项目包括艾滋病病毒（human immunodeficiency virus，HIV）、乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）、梅毒螺旋体（treponemapallidum，TP）、丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）、人乳头瘤病毒（human papillomavirus，HPV）、风疹病毒（rubella virus，RV）等，前四种病原学检查的组合即为手术前必做的术前四项。

由于急诊手术时间紧迫，常规方法很难满足临床快速诊断及治疗的需求，所以，国内外很多研究小组都在努力将电化学DNA传感器应用在HIV、HBV、TP、HCV的检测中。

Zhang等构建了一种用数微升样品同时检测HIV两种寡核酸序列HIV-1和HIV-2的免标签电化学传感器微阵列模型系统。在最优条件下HIV-1和HIV-2的峰电流在20~100nmol/L范围内呈线性，检测下限为0.1nmol/L(S/N=3)。这种生物传感器微阵列特异性很好，没有明显的交叉干扰，而且很容易区分单碱基突变的寡核苷酸、任意寡核苷酸与完全互补的目的DNA。

Niu研制了一种以银纳米颗粒和多层碳纳米管（Ag/MWCNTs）修饰的玻碳电极（GCE）为平台，以Cu(Ⅱ)化合物（CUL2）作为电活性指示剂，检测HBV的新型电化学DNA生物传感器。4-氨基苯甲酸（4-ABA）和银纳米颗粒共价连接于MWCNTs，以构建Ag/4-ABA/MWCNTs传感器工作平台，由于拥有大的表面积和良好的电子转移特性，DNA的结合数量和检测互补单链DNA的敏感性明显增加。用循环伏安法和荧光光谱学研究CuL2和双链DNA之间的相互作用，可知CuL2在GCE上能表现出良好的电化学活性，且能够插入dsDNA双螺旋中。检测目的HBVssDNA的线性范围为(3.23×10^-12~5.31×10^-9)mol/L（r=0.9983），检测限可达到6.46×10^-13mol/L(3σ，n=11)。

Sheng等用酶催化方法和目标导向聚合而成的聚苯胺（PANI）构建了一种超敏感的螺旋体DNA电传感器。这种检测方法的关键步骤是DNA杂交和生物素一链霉亲和素反应：杂交反应结束后，杂交产物和过氧化氢酶通过生物素一链霉亲和素反应结合起来，聚合形成PANI结构。DNA杂交、生物素-链霉亲和素的结合和聚合作用共同为梅毒螺旋体特异polA片段的检测提供了一个简单、高敏感、高选择的平台。目的DNA浓度在1.0pmol/L~1.0nmol/L范围内，PANI的电流值与其浓度成正相关，相关系数为0.998；检测下限为0.5pmol/L，信噪比为3。

此外，禽流感病毒（avian influenza virus，AIV）、HPV等病原体的电化学DNA生物传感器的研究也很受人关注。

随着医学研究的深入，人们发现许多疾病的发生都与遗传基因有关。针对特定序列的电化学检测对于遗传性疾病的快速诊断、病程监测和预后都有重大意义。

Marin等将膀胱纤维化相关DNA序列夹心于两个DNA探针之间，其中一个探针通过生物素-链霉亲和素连接于MB，另一个通过硫醇连接于硫化镉量子点（CdS QD）作为标签，用方波电压（square-wave voltammetry，SWV）进行电化学检测，得出很好的波形和灵敏的分析信号。

Castaneda用直径为1.4nm单体阳酰亚胺金纳米颗粒作为标签构建了一种新型、快速、敏感的电化学方法用以检测囊性纤维症相关DNA。目的DNA先与固定在磁珠上的捕获探针杂交，然后与金纳米颗粒标记的信号探针杂交，构成双杂交产物。当实验结束，用磁珠分选/混合步骤将产物转移到DNA磁性传感器表面（石墨烷氧基树脂和磁珠构成的电极)，然后用差分脉冲伏安法溶出技术直接检测金纳米颗粒。

此外，DNA复制过程的高保真性是由DNA聚合酶与其他分子协同完成的。但不同来源的DNA聚合酶具有不同的保真度，所以DNA在复制过程中不可避免地会以某种频率发生随机碱基携入错误。当这种错误不被纠正而保留下来时，就会发生DNA水平上的变异。如果变异仍然编码与以往同样的氨基酸，称为无义变异；反之为有义变异，也称为基因变异。通常在经历几次复制之后，突变被保留下来，成为永久基因变异。

基因组研究表明，在同一个生物物种中，大约每1000个碱基中就会有一个碱基的区别，这就是所谓单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNPs)。现在人们认为，SNPs是基因组变异的最普遍形式，并在疾病发生中起重要作用。检测SNPs对于遗传性疾病的诊断与治疗、鉴别人种（群）疾病易感性等有重要意义。

近年来，电化学DNA传感器在SNPs检测中的应用也越来越广泛。Luo等报道了一种不需固定探针检测序列特异性DNA和SNP的多通道电化学方法。利用标记有电活性指示剂的电中性的PNA探针和带负电荷的ITO电极来实现免固定目的DNA的检测。多种不同序列的PNA探针标记上不同的电活性指示剂从而实现对多种DNA或SNP的检测。且对多种目的DNA和SNP同时检测时，相互之间没有干扰，这种简单而有效的免标记技术能够应用于许多领域，特别是POCT。

恶性增殖性疾病的发生是一个多阶段逐步演变的过程，大致可分为激发、促进、进展和转移等几个阶段。在其多阶段演变过程中，常积累了一系列基因的突变，可涉及不同染色体上多种基因的变化，包括癌基因、抑癌基因、损伤修复相关基因、细胞周期调控基因等。在此过程中产生的相关基因的变化是肿瘤早期发现、早期诊断及预测和判断其转移复发、预后、治疗反应的分子标志物。

Liao等构建了一种超敏感的检测甲状腺乳头状癌相关BRAF突变基因的电化学方法。将30个核苷酸的生物素化DNA探针固定在一个链霉亲和素修饰的96孔微量板上，封闭之后，加入生物素化的目的DNA，杂交30分钟，然后加入链霉亲和素标记的金纳米颗粒，用方波溶出电压（square wave stripping voltammetry，SWSV）技术对杂交过程进行监测。这种方法能很好地识别出现在223个核苷酸DNA上的野生型和突变型BRAF。

Won等证实了基于PNA探针的非标记型电化学DNA传感器在葡萄糖氧化酶分析技术的信号放大作用下，成功地检测出标本浓度低于10^-9mol/L的乳腺癌易感基因BRCA1，且可分辨出一个碱基不匹配的对照组样本，并进一步研究了它的临床可用性。

近来研究发现，microRNA作为肿瘤的抑制物或致癌基因与肿瘤的发展密切相关，因此可将其作为癌症早期诊断的分子标记。Pohlmann等在电化学检测的基础之上，建立了能够检测成熟microRNA的快速、高选择性、高灵敏度间隙杂交试验。microRNA可互补结合在探针和检测脱氧寡核苷酸之间的间隙里，此时将报告酶加入到电极的附近，便由酶产生一个电化学信号。当microRNA不存在时，探针和检测寡脱氧核苷酸之间的间隙没有被填上，缺少基本的堆积能量而使杂交复合物的稳定性破坏，没有信号产生。间隙杂交试验能够将miR-16从与其他miRNAs的混合物中选择性地检测出来，并且可以区分单碱基不匹配序列；检测下限低至2pmol/L。对于在人乳腺癌细胞MCF-7中高表达的致癌基因miR-21，间隙杂交试验对其检测的特异性与miR-16相同。包括前期RNA提取所花费的时间，间隙杂交电化学检测可在60分钟内完成，并且不需要对样本进行逆转录PCR扩增，这些特点完全可以满足临床诊断中对早期肿瘤标记物快速、简便检测的需求。

许多药物通过与DNA的相互作用而发挥疗效，因此，电化学DNA生物传感器除了可用于特定基因检测外，还可以作为药物应用分析的重要研究工具。

有研究表明，药物与DNA的相互作用通过鸟嘌呤电化学信号的变化反映出来，进而说明药物的作用机制、DNA-药物复合物的性质、结合常数、结合部位及药物作用过程中产生自由基的作用。

用电化学DNA生物传感器和差分脉冲电压技术可进行HIV-1反转录酶抑制药依法韦仑（efavirenz，EFV）的药物剂型分析。EFV使固定在石墨电极表面的鱼精双链DNA发生不可逆的氧化作用，通过氧化电信号监测血浆中EFV的浓度。此方法敏感、快速、简单且成本较低。此外，Ovádeková等利用DNA修饰电极研究了黄连素对癌细胞基因的作用；Gu等研究了一种新型的碳糊电极可用来检测抗早孕药物米非司酮。总之，在药物研究方面，电化学DNA生物传感器有望减少潜在靶药物的筛选时间，提高对新型分子药物生物机制的辨识能力，加快分子靶向药物的测试和开发，从而推动临床肿瘤个体化治疗的研究。

来源： IVD分享库