组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
肿瘤坏死因子α（TNFα）、mTOR通路激活药物（如PTEN抑制剂bpV(phen)）；样品基质：无血清缓冲液/细胞培养液（含胎牛血清）
检测原理
以TNFα传感器为例，TNFα与细胞表面受体结合后激活IKK，使IκBα-FLuc融合蛋白磷酸化、泛素化并被蛋白酶体降解，FLuc蛋白量下降；加入d-luciferin后FLuc催化产生>580 nm光子，发光强度随TNFα浓度升高而降低。细胞同时恒定表达RLuc，加入coelenterazine产生475±50 nm光作为内参，通过FLuc/RLuc比值消除细胞数和检测距离影响。mTOR传感器则利用含复杂5′UTR的GFP-FLuc mRNA，mTOR激活经4E-BP1/eIF4E增强翻译，使FLuc增加。该体系无外源酶催化放大，主要依赖蛋白降解/翻译调控和双荧光素酶比值读出。
检测灵敏度
r = 0.988（FLuc发光与FLuc细胞比例）；r = 0.991（RLuc发光与RLuc细胞比例）
效应效果
综述指出生物发光比荧光信噪比更高：皮下注射同时表达荧光和生物发光蛋白的细胞时，荧光信号高于背景需3.8×10^5个细胞，而生物发光仅需400个细胞。双荧光素酶比值法可消除细胞数和检测距离影响。TNFα传感器中，1和10 ng/ml TNFα使FLuc发光下降而RLuc不变；仅表达FLuc的对照细胞无响应。mTOR传感器在鼠、人及裸鼹鼠原代皮肤成纤维细胞中经48 h处理，对PTEN抑制剂bpV(phen)和降低胎牛血清（5、2.5、1.25%）有响应，缺乏复杂5′UTR的对照无响应。作者认为其可用于寿命研究中激素、药物和毒素的连续无创监测。
传感器的构成
- 细胞基底/换能器：HeLa细胞，作为表达融合蛋白并响应TNFα的传感器细胞
- 识别/信号融合蛋白：IκBα-FLuc融合蛋白，TNFα激活IKK后磷酸化、泛素化并被蛋白酶体降解，使FLuc减少
- 内参信号蛋白：RLuc，由逆转录病毒稳定表达，提供恒定475±50 nm生物发光对照
- 表达载体：CMV启动子质粒、逆转录病毒/慢病毒，驱动IκBα-FLuc或RLuc表达
- 细胞培养载体：Cytodex 1微载体微球，便于细胞直接转移至光测量装置
- 发光底物：d-luciferin（FLuc底物）和coelenterazine（RLuc底物），催化产生不同波长光子
- 光学读出组件：475±50 nm带通滤光片、580 nm长通滤光片、光纤导光和光子计数器（Hamamatsu H7467）
中文摘要
细胞和组织基生物传感器由基因工程蛋白构成，可在体外导入细胞，或在体内导入组织细胞。它们基于生物光子学或其他物理原理，使研究者能够连续、无创地感知激素、药物或毒素的浓度变化，并有望在实验动物整个生命周期中应用。本文综述细胞和组织基生物传感器的研究进展，讨论其在衰老研究中的潜在价值。文中给出近期开发的生物传感器实例，包括检测细胞因子肿瘤坏死因子α（TNFα）水平以及检测mTOR通路激活药物。最后，作者讨论了将该技术用于人类老年健康状态监测和疾病治疗所必须克服的障碍，如生物相容性、信号读出、长期稳定性和安全性。
英文摘要
Cell- and tissue-based biosensors comprise genetically engineered proteins that are incorporated into cells ex vivo or into cells of tissues in vivo. They enable the investigator to sense levels of hormones, drugs, or toxins, continuously and noninvasively, using biophotonics or other physical principles, and could potentially be used over the entire lifespan of an experimental animal. The present work reviews the state of the art of cell- and tissue-based biosensors and discusses how they could be of value in aging research. Examples of recently developed biosensors are given, including those that detect levels of a cytokine (TNFα) and drugs (activators of the mTOR pathway). Finally, we discuss the hurdles that would have to be overcome for biosensor technology to be used in humans in monitoring health status and disease treatment in late life.