基于无酶级联放大的"开-关-开"型自供能生物传感器实现三种microRNA的超灵敏检测

研究人员针对现有生物传感系统难以同时超灵敏检测多种microRNA的难题，开发了基于酶生物燃料电池(EBFCs)和催化发夹组装(CHA)的新型自供能生物传感器。该传感器通过E1OCV、"关"态E2OCV和"开"态E3OCV的电压变化，实现了对miRNA-21(0.36 fM)、miRNA-146a(0.16 fM)和miRNA-155(0.23 fM)的序贯检测，为多靶标生物传感提供了新思路。

　　

在生命科学领域，microRNA（miRNA）作为一类重要的非编码小RNA分子，已被证实与细胞增殖、分化、凋亡等关键生理过程密切相关。更引人注目的是，这些长度约22个核苷酸的小分子在神经退行性疾病和癌症等重大疾病中表现出特异性表达模式。例如，miRNA-132和miRNA-146a与颞叶癫痫相关，miRNA-221和miRNA-214在帕金森病中差异表达，而miRNA-200p在结直肠癌患者血液中显著异常。这些发现使得miRNA成为极具价值的疾病诊断标志物。然而，现有检测技术如荧光法、表面增强拉曼散射(SERS)和电化学发光(ECL)等，大多只能实现单一miRNA的检测，难以满足临床对多标志物联合检测的需求。

针对这一技术瓶颈，来自中国的研究团队创新性地将酶生物燃料电池(EBFCs)与催化发夹组装(CHA)技术相结合，开发出一种"开-关-开"型自供能生物传感器。这项发表在《Analytica Chimica Acta》的研究，通过巧妙设计的三阶段信号转换机制，成功实现了对三种疾病相关miRNA的超灵敏序贯检测。

研究团队主要采用了三项关键技术：1）构建发夹-四面体DNA纳米结构(H-TDN)作为信号放大载体；2）利用CHA实现无酶条件下的靶标循环放大；3）通过EBFCs系统将生物识别事件转化为可测量的开路电压(E^OCV)信号变化。这些技术的协同应用使得传感器兼具高灵敏度和多重检测能力。

在"结果"部分，研究展示了三个关键发现：首先，在miRNA-21存在时，CHA反应被激活，H-TDN在生物阴极上捕获大量[Ru(NH₃)₆]³⁺，导致E₁^OCV升高，呈现"开"态信号。随后加入miRNA-146a会置换生物阳极上的DNA1-葡萄糖氧化酶(DNA1-GOD)，降低葡萄糖氧化速率，使E₂^OCV下降转为"关"态。最后，miRNA-155通过捕获DNA2-GOD恢复阳极催化活性，促使E₃^OCV再次升高，完成第二个"开"态转换。这种独特的信号转换模式有效避免了检测间的相互干扰。

"结论"部分强调，该传感器对miRNA-21、miRNA-146a和miRNA-155的检测限分别达到0.36 fM、0.16 fM和0.23 fM，且具有良好的选择性、重现性和稳定性。特别值得注意的是，研究首次在单一检测系统中实现了三种miRNA的序贯超灵敏检测，为复杂疾病的早期诊断提供了新的技术平台。

在讨论中，作者Hongfen Yang、Ren Cai和Dan Yang指出，这种基于EBFCs的自供能设计不仅避免了外部电源的干扰，其"开-关-开"的信号转换机制更为多重生物标志物检测提供了普适性策略。未来通过替换不同的核酸识别元件，该平台可扩展至其他疾病相关miRNA或核酸标志物的检测，在精准医疗和POCT(床旁检测)领域具有广阔应用前景。研究获得的国家自然科学基金(22004032)和湖南省自然科学基金(2024JJ5348、2021JJ20020)的支持也体现了其重要学术价值。