基于微针的IgE适配体传感器，用于食物过敏敏感性的经皮检测

《ACS Materials Letters》：A Microneedle-Based IgE Aptasensor for Transdermal Detection of Food Allergy Sensitization

过敏原致敏的非侵入式监测：基于微针电化学aptasensor的AllergE贴片研究。采用双光子聚合技术制备混合中空多孔微针结构，表面修饰红染料标记的IgE特异性aptamer，实现从皮肤间质液（IgE浓度比血清低1:1）中高灵敏度检测（30.6 pg/mL检测限），机械强度达1.85 N，成功穿透人工皮肤和活体人腹部皮肤样本，为无痛过敏筛查提供新方案。

　　食品过敏是一种可能危及生命的免疫反应，通常由通常无害的食物蛋白引发。这种反应会导致免疫系统产生一种称为免疫球蛋白E（IgE）的抗体，从而释放组胺、缓激肽等介质，引发过敏症状。IgE在血液中的浓度通常非常低，仅为所有免疫球蛋白的不到0.01%，在非过敏成年人中平均约为150 ng/mL。然而，在过敏患者中，IgE浓度可能增加一个数量级，当总IgE水平超过240 ng/mL（1 IU = 2.4 ng）时，通常被视为对过敏原的敏感反应。此外，IgE水平会随着年龄增长而上升，因此儿童的过敏检测阈值更低，强调了开发高灵敏度检测方法的必要性。

目前，食品过敏的诊断方法主要包括皮肤点刺试验（SPT）和口服食物挑战测试。这些方法虽然广泛应用，但存在一定的医疗风险，尤其是可能诱发严重的过敏反应如过敏性休克。另一种诊断方式是通过血液检测特定IgE（sIgE）或总IgE水平，这种方法能够在临床症状出现之前检测到IgE浓度的升高，从而实现早期预警。然而，血液检测方法仍然需要穿刺采血，过程侵入性较强，对儿童等敏感人群不友好，且操作繁琐，难以实现持续监测。

为了应对这一挑战，研究人员正在探索更加便捷、安全且高效的检测方法。例如，ImmunoCAP Rapid（Thermo Fisher）能够在20分钟内检测多达10种过敏原的sIgE水平，但其仍依赖于静脉穿刺，无法满足非侵入性检测的需求。而电化学生物传感器作为一种有前景的替代方案，提供了更高的灵敏度和微型化可能性。例如，Kim等人使用抗IgE抗体和自组装的铁氰化物红ox媒介体，实现了2.4 ng/mL的检测限（LOD）和7.2–72 ng/mL的动态范围。Park等人开发了一种夹心型电化学免疫分析方法，利用碱性磷酸酶（ALP）酶偶联的二抗进行信号放大，达到了7.2 ng/mL的LOD。尽管这些研究取得了进展，但大多数电化学传感器仍依赖于酶来增强信号，这不仅增加了检测成本和复杂性，还可能影响其稳定性和可靠性。

此外，许多现有技术依赖于侵入性的生物液体如血清，而无法实现连续的体内监测。微针（MN）技术近年来因其微创、无痛和高灵敏度的特性，成为生物传感领域的研究热点。IgE在皮肤间质液（ISF）中的浓度与血清中的比例接近1:1，且皮肤中结合的IgE更能反映真实的过敏反应状态，这为通过微针实现非侵入性过敏检测提供了新的思路。已有研究利用微针进行电化学检测，例如Mohan等人开发了一种用于酒精检测的空心微针传感器，而Yi等人则利用多孔微针结构设计了一种基于荧光的内毒素检测装置。然而，空心微针容易发生堵塞，而多孔结构则可能降低机械强度，导致微针在皮肤插入过程中损坏。

针对这些局限性，本研究开发了一种新型的混合空心-多孔微针电化学适配传感器——AllergE贴片，旨在实现对皮肤间质液中IgE的无创、连续监测。该传感器采用3D光刻技术制造，通过精确控制微针的结构和机械性能，实现了高分辨率的微针阵列。微针内部的空腔被功能化处理，以结合具有红ox标记的IgE特异性适配体（D17.4序列），从而在IgE结合时引发适配体构象变化，最终产生可定量的电化学信号。适配体的5′端引入了聚腺苷酸（poly(A)）尾部，以提高其构象灵活性和与IgE的结合亲和力，使检测限从10 nM降至4.55 nM。该设计不仅提升了检测灵敏度，还确保了在皮肤插入过程中，传感器表面不易受到机械损伤或分子泄漏的影响。

为了验证适配体是否成功结合到微针表面，我们采用了高分辨率X射线光电子能谱（XPS）分析。XPS数据显示，适配体结合后，金电极表面的硫（S 2p）、碳（C 1s）和氮（N 1s）信号均显著增强，表明适配体已通过Au-硫化学键成功固定在电极表面。这一过程进一步通过循环伏安法（CV）进行电化学验证，结果显示，在适配体结合后，红ox标签的氧化峰电流明显下降，而当IgE结合时，电流又恢复上升，表明适配体能够有效识别IgE并产生可检测的信号。此外，通过方波伏安法（SWV）连续监测3小时，验证了适配体在电极表面的稳定性。

为了进一步评估AllergE贴片的分析性能，我们进行了校准曲线测试。通过将已知浓度的IgE逐步加入含有2 mM MgCl?的1× PBS缓冲液中，测量了SWV信号的变化。结果表明，该贴片在88 pg/mL至100 ng/mL的范围内具有良好的线性响应，检测限（LOD）为30.6 pg/mL，这一灵敏度足以检测儿童和成人的IgE水平。此外，通过在模拟间质液中加入可能的干扰物质（如溶菌酶、牛血清白蛋白和模拟ISF），我们测试了AllergE贴片的特异性。结果显示，只有IgE能够引发显著的信号变化，而其他分子几乎不产生响应，表明该传感器对IgE具有高度选择性。

为了验证该贴片在真实生物样本中的性能，我们使用了人体腹皮组织进行体外测试。将不同浓度的IgE（0, 10, 250, 1000 ng/mL）预先孵育在含有2 mM MgCl?的1× PBS中，然后通过SWV在三种频率（40, 70, 300 Hz）下进行检测。结果表明，随着IgE浓度的增加，红ox信号呈剂量依赖性上升，且在300 Hz频率下信号增强最为显著。在1 μg/mL IgE浓度下，信号强度提升了500%，进一步证明了AllergE贴片在复杂生物样本中的检测能力。

从机械性能的角度来看，AllergE贴片经过优化设计，确保了其在皮肤插入过程中的稳定性。通过压缩测试，我们发现该贴片在1.85 N的力下才发生断裂，而穿透力仅为0.27 N，远低于其断裂力，表明其在实际应用中具有较高的安全性。此外，通过SEM图像和细胞毒性实验，我们确认了该贴片的结构完整性和生物相容性，其对人真皮成纤维细胞无毒性，且在插入后仍能保持结构稳定。

综上所述，AllergE贴片通过其独特的混合空心-多孔微针结构和高效的适配体设计，实现了对IgE的高灵敏度、高选择性、非侵入性检测。该贴片不仅能够实时监测IgE水平，还能在过敏反应发生前提供预警，从而有助于早期干预和预防过敏性休克。其机械强度、生物相容性和分析性能均符合临床应用的需求，为未来的无创过敏检测和连续免疫监测提供了重要的技术基础。此外，该贴片的设计理念也为其他生物标志物的检测提供了可借鉴的路径，推动了微针生物传感技术在医疗健康领域的进一步发展。