大氣顆粒物（PM）污染嚴重危害著人體健康，每年造成全世界幾百萬人的死亡。活體中的一些蛋白分子常被用作來研究顆粒物健康效應的生物標志物。然而，目前生物標志物采集分析大多是離線的，而且靈敏度低、有創(chuàng)如抽血等; 因而，在實時地檢測顆粒物暴露的一些早期/瞬時健康效應存在巨大挑戰(zhàn)。

近日，北京大學環(huán)境科學與工程學院要茂盛教授與復旦大學化學系鄭耿峰教授合作集成利用活體大鼠暴露，呼出氣采樣，微流控以及商業(yè)化硅納米線生物傳感器創(chuàng)建了dLABer（Detection of Living Animal’s Exhaled Breath Biomarker System）系統(tǒng)，實現(xiàn)實時地監(jiān)測活體呼出氣中的污染物暴露生物標記物，可直接用于無創(chuàng)在線研究空氣污染所導致的健康效應。

Detection of Living Animal’s Exhaled Breath Biomarker (dLABer) 系統(tǒng)示意圖

為了驗證該系統(tǒng)，課題組首先給大鼠注射不同來源同質(zhì)量大氣顆粒物， 然后利用dLABer系統(tǒng)實時監(jiān)測大鼠呼出氣中的炎癥因子白細胞介素-6（IL-6）水平。研究發(fā)現(xiàn)對于不同來源的顆粒物暴露產(chǎn)生的IL-6水平有高達一千倍的差異，該結(jié)果與通過ELISA分析大鼠血液樣品中的IL-6水平趨勢相吻合。同時研究也發(fā)現(xiàn)通過利用傳統(tǒng)方法如二硫蘇糖醇（DTT）測定的不同來源PM毒性結(jié)果與dLABer所獲得的結(jié)果也一致。課題組發(fā)展的dLABer系統(tǒng)具有比酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）高幾個數(shù)量級的信噪比，并且可以連續(xù)監(jiān)測活體動物呼出的生物標志物水平。

通過dLABer對呼出氣中生物標記物的實時監(jiān)測，不僅幫助我們更直接了解大氣污染物對呼吸系統(tǒng)（呼吸道和肺）的損傷作用，也為我們了解與呼吸系統(tǒng)有關的病理生理過程提供有力的依據(jù)。該系統(tǒng)也可以為臨床早期疾病診斷、病情監(jiān)測及藥療評價提供前所未有的工具。dLABer系統(tǒng)有望革新現(xiàn)有空氣污染物健康影響研究方法與臨床疾病生理狀況的監(jiān)護手段。

研究成果以“Automated In Vivo Nano-sensing of Breath-borne Protein Biomarkers”為題發(fā)表在Nano Letters（IF：12.08）刊物上，并申請了國家發(fā)明專利。論文的第一作者為北大環(huán)境學院研究生陳灝軒，北大要茂盛教授、復旦鄭耿峰教授為共同通訊作者。

參與該項工作的還包括北大環(huán)境學院研究生李菁、張翔宇、李心月。該項目主要得到國家自然科學基金委國家杰出青年科學基金（基金號21725701）與重大研究計劃培育項目（基金號： 91543126）的資助。