微型生物傳感器，如何照亮地球最貧瘠的角落？

原標(biāo)題：微型生物傳感器，如何照亮地球最貧瘠的角落？

通過一滴汗或血液，就可以測量人體十幾項(xiàng)健康指標(biāo)，或是提前預(yù)測癌癥等大中型疾病，你認(rèn)為這樣近乎無創(chuàng)的醫(yī)療檢測服務(wù)應(yīng)該值多少錢？

答案是，要么只能前往擁有專業(yè)儀器的醫(yī)院來一套專項(xiàng)檢查，要么就花上數(shù)百美元的價(jià)格購買一套家用無創(chuàng)檢測設(shè)備。

以最常見、最高頻的血糖檢測來說，目前通過各國醫(yī)療機(jī)構(gòu)允許發(fā)售的無創(chuàng)血糖儀終端售價(jià)都在數(shù)千元以上，而且大部分僅在美國、以色列等地區(qū)銷售。

如果告訴你，有人用生物傳感器免費(fèi)幫世界上最貧困的人口做疾病篩查，怎么聽都像是別有預(yù)謀吧？

今天咱們的科技“鬼故事”，就要從最貧窮的非洲村莊講起。

地球之殤：等待療愈的貧瘠之地

眾所周知，非洲這片土地一直深受瘧疾等傳染病的困擾，因此，瘧疾藥物和醫(yī)療人員，一直是各國對(duì)非洲醫(yī)療原著項(xiàng)目的重點(diǎn)。

但作為世界上最危險(xiǎn)的傳染病之一，在非洲的偏遠(yuǎn)地區(qū)想要及時(shí)是否罹患瘧疾做出診斷，也是一件不太現(xiàn)實(shí)的事情。

于是來自格拉斯哥大學(xué)的生物工程師Jonathan Cooper就創(chuàng)造了一種新興的生物傳感器，用來快速而準(zhǔn)確地檢測疾病。

這種生物傳感器是一張?zhí)厥獾募垙垼谏厦嫱可弦粚友?，用蠟覆蓋（控制血液的流動(dòng)方式）和特定的化學(xué)物質(zhì)（準(zhǔn)備血液進(jìn)行測試）。

然后將紙張通過特定的方式折疊，將其放在可檢測瘧疾寄生蟲存在的微小測試條旁邊。

然后把這些組合測試物全部用薄膜密封并置于熱板上45分鐘。隨著溫度的升高，感染了瘧疾寄生蟲的DNA會(huì)被反復(fù)復(fù)制，使其更容易被發(fā)現(xiàn)。

如果檢測到寄生蟲的存在，測試條帶將顯示兩個(gè)紅色條帶。如果沒有，則只會(huì)顯示一個(gè)條帶。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在烏干達(dá)的St. Kizito和Mayuge地區(qū)對(duì)67名6至14歲的孩子進(jìn)行了測試。結(jié)果證明，折紙檢測到瘧疾的準(zhǔn)確率為98％，這比當(dāng)?shù)蒯t(yī)療團(tuán)隊(duì)采用的其他方式都要好。目前，烏干達(dá)衛(wèi)生部的人員已經(jīng)開始考慮在農(nóng)村地區(qū)廣泛使用該設(shè)備。

什么是生物傳感器？

這里有必要多說一點(diǎn)，為什么生物傳感器可以通過無創(chuàng)或微創(chuàng)的方式來做出媲美精密儀器的診斷，它究竟是如何工作的？

各種生物傳感器都擁有共同的作用機(jī)制和結(jié)構(gòu)，那就是：一種能夠識(shí)別生物活性的材料，即生物膜，以及能夠把生物活性信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。這二者經(jīng)過現(xiàn)代制造技術(shù)的再加工，就構(gòu)成了各種生物傳感器分析裝置和儀器。

它們能夠從動(dòng)植物的細(xì)胞、抗體、血液等材料中提取出DNA等關(guān)鍵因子，再經(jīng)過信息轉(zhuǎn)換成人類可以理解的內(nèi)容（比如是否罹患某種疾病、含量是否超常等），為決策提供依據(jù)。

它還具有一些“天生驕傲”的優(yōu)點(diǎn)，比如簡單易操作，不像傳統(tǒng)的酶法分析那么昂貴而繁瑣；分析速度快，往往一分鐘內(nèi)就可以得到測試結(jié)果；準(zhǔn)確性高，理想情況下相對(duì)誤差可以達(dá)到1%；成本低，每次測定僅需幾分錢。

活好、不貴，讓生物傳感器越來越多地出現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域中。不過，普通人想要接觸到還是有點(diǎn)不容易的。

目前生物傳感器主要被用來檢測抗癌藥物的作用機(jī)理，或是在軍事上用于監(jiān)測細(xì)菌和病毒，也會(huì)出現(xiàn)在DNA鑒定和親子認(rèn)證等項(xiàng)目中。無論哪種，對(duì)大多數(shù)普通人來說都是永遠(yuǎn)別遇上的好吧。

比如2000年，美國就研制出了可檢測霍葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。

可是，總有一些地區(qū)和人民，背負(fù)著貧困和苦難而生。對(duì)于他們來說，生物傳感器的出現(xiàn)，就是一個(gè)救生命于水火的最優(yōu)解了。

最后的一根稻草？

那么，生物傳感器普惠于落后地區(qū)的途徑到底有哪些呢？不妨通過幾個(gè)實(shí)際案例了解一下。

除了瘧疾，困擾非洲人民的還有嚴(yán)重的飲用水污染。根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年有 180 萬人死于該病，這些死亡人群中 90% 為 5 歲以下兒童。

因此，提高飲水安全的首要任務(wù)，就是尋找一種快速、易用、便宜并且高精度的方法來監(jiān)測飲用水的生物污染。

因此，英國地質(zhì)調(diào)查局就聯(lián)合贊比亞大學(xué)等機(jī)構(gòu)，采用英國CTG 公司開發(fā)的色氨酸傳感器——一種廢水指示器，上面附著的熒光劑可以快速檢測淺層地下水的色氨酸含量，從而直接判斷水中細(xì)菌污染的程度。

這種傳感器無需試劑，價(jià)格十分低廉，可以對(duì)全鎮(zhèn)數(shù)十口水井進(jìn)行快速測量，每小時(shí)能夠測試多達(dá)六種不同的供水，并幫助快速繪制地下水水質(zhì)圖。目前在印度也得以推行。

和瘧疾一樣，目前診斷技術(shù)依然落后的疾病，還有肺結(jié)核，仍在沿用幾十年前開發(fā)的“痰菌培養(yǎng)法”。

這種方法不僅經(jīng)常會(huì)得到假陰性等錯(cuò)誤結(jié)果，有時(shí)候即使使用CT或X光等先進(jìn)影像診斷儀器，醫(yī)生也難以準(zhǔn)確判斷病人的肺結(jié)核進(jìn)程。

英國倫敦衛(wèi)生與熱帶病研究所的科研人員就研制出了一種能為病人當(dāng)場化驗(yàn)出是否患有肺結(jié)核的新型納米生物傳感器。這種化驗(yàn)儀造價(jià)十分低廉，已經(jīng)在東南亞等肺結(jié)核高發(fā)區(qū)推廣使用。

此外，英國國民保健署（Britain's National Health Service）還資助了使用Owlstone 傳感器診斷肺癌的臨床試驗(yàn)，包括了癌癥病人在內(nèi)的3000名受試者。

這種傳感器被做成了手機(jī)SIM 卡的樣子，受試者只需吹氣，氣味中的分子就會(huì)被傳感器離子化（讓它們帶上電荷），然后接上電流，就能使和疾病相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)移動(dòng)到芯片中專門的通道上，從而被檢測到。

這類傳感器還可以用來檢測結(jié)直腸癌、腸易激綜合癥等其他疾病。

為什么是“免費(fèi)的午餐”？

生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。但也許有人會(huì)問了，這么厲害的技術(shù)，怎么就是只做“賠本買賣”，專往窮鄉(xiāng)僻壤跑呢？背后的原因恐怕不是“錢太燙手”，而是另有玄機(jī)。

拋開一些政治角度的陰謀論，從應(yīng)用場景來說，落后地區(qū)進(jìn)行細(xì)菌和病毒檢測手段升級(jí)的緊迫性顯然是要更高的。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的國家，大多都完成了城市化改造，建立了規(guī)范的傳染病管理體系，這是預(yù)防疫病的關(guān)鍵，也正是落后地區(qū)所不具備的前提條件。

而歷史上許多災(zāi)難性的瘟疫，比如霍亂、麻疹等等，都是由相應(yīng)的病菌或病毒所引起的。在全球一體化的大背景下，幫助落后地區(qū)及早診斷并控制病源微生物的感染，自然是一件既有慈善意義，又具備廣泛社會(huì)價(jià)值的事兒。

另外一點(diǎn)，很多生物傳感器的研發(fā)時(shí)間并不長，其效果的穩(wěn)定性都有待觀察，而先進(jìn)國家的藥物儀器面世審核流程都十分漫長，往往需要幾年多批次的臨床實(shí)驗(yàn)才有可能完成。

在現(xiàn)代城市中尋找相應(yīng)的受試者不僅成本高昂，而且很有可能因?yàn)榧夹g(shù)缺陷引發(fā)患者不滿。相比之下，深受貧困和疾病困擾的落后地區(qū)，群眾的接受度和容忍度都要高出許多，也比較有利于前沿技術(shù)的推行。

當(dāng)然，這并不意味著企業(yè)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)就“人傻錢多”了，或者是拿著人民稅收去撒錢“獻(xiàn)愛心”。事實(shí)上，主流國家的醫(yī)療技術(shù)研發(fā)已經(jīng)形成了完善的產(chǎn)業(yè)機(jī)制。

比如前面提到的非洲飲用水檢測項(xiàng)目，就是由英國國家環(huán)境研究委員會(huì)(NERC)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)研究理事會(huì)(ESRC)，以及英國國際發(fā)展部(DFID)共同資助的。開發(fā)使用這種傳感器，后續(xù)還會(huì)應(yīng)用到英國水工業(yè)內(nèi)部的實(shí)時(shí)遙測技術(shù)監(jiān)測原水質(zhì)量。

當(dāng)商業(yè)應(yīng)用價(jià)值可以反哺，公益事業(yè)自然也更容易找到一個(gè)可持續(xù)的平衡點(diǎn)了。

生物傳感器雖然出身高知的實(shí)驗(yàn)室，卻也在做著非常草根的工作?；蛟S，當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)擁有對(duì)底層人類的幫助與撫慰能力的時(shí)候，它才擁有著做任何事情的能力。

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