基于MXene增强的电化学发光生物传感器，通过β-转角响应肽作为功能性生物大分子开关实现SERPINE1的检测

《Analytica Chimica Acta》：MXene-Enhanced Electrochemiluminescence Biosensor for SERPINE1 Detection via β-Turn-Responsive Peptide as a Functional Biological Macromolecule Switch

新型β-转肽结构ECL生物传感器集成MXene纳米材料用于高灵敏度SERPINE1检测，实现0.05-800 ng/mL宽线性范围和11.2 pg/mL检测限，无需酶和二次标记，血清验证回收率96.3-104.6%。

　　这项研究介绍了一种基于β-转角肽的电化学发光（ECL）生物传感器，结合了MXene（Ti?C?）纳米材料与Ru(dcbpy)?2?/AuNPs杂化体系，用于高灵敏度、高特异性地检测与衰老相关的分泌蛋白SERPINE1。SERPINE1作为一种在肺癌早期阶段具有重要诊断价值的生物标志物，其水平在患者肺泡灌洗液、血液和组织样本中均显著升高，显示出其在非侵入性早期诊断中的潜力。传统的ECL平台虽然具有高灵敏度和低背景噪声的优势，但在实际应用中仍面临诸多挑战，如依赖静态识别元件（如抗体或适配体），容易发生变性，且缺乏内在的信号放大机制。为此，研究团队设计了一种创新的生物传感器，利用肽的构象变化实现信号增强，无需依赖酶或二次标记，提高了检测的准确性和可靠性。

生物传感器的核心设计在于合成肽探针的结构。该探针包含三个功能域：（1）一个特异性识别SERPINE1的N端序列，（2）一个中央的β-转角结构域，用于在无目标存在时维持肽的折叠状态，使其处于催化失活的构象，（3）一个C端富含组氨酸和半胱氨酸的片段，模拟过氧化物酶的活性，以促进三丙胺（TPA）的氧化反应并增强ECL信号的发射。当SERPINE1与肽探针结合时，会引发β-转角结构的展开，从而解锁肽的结构，激活ECL信号。这种机制使得传感器能够在目标存在时实现信号的增强，而无需额外的酶或标记物。

为了支持这一功能结构，研究团队构建了一种Ru(dcbpy)?2?/AuNPs@Ti?C?复合物修饰的电极。Ti?C? MXene纳米片提供了高导电性和大的表面积，有利于传感器的稳定运行。同时，嵌入的金纳米颗粒通过Au–S键实现了肽探针的共价锚定，增强了其在电极表面的固定性。预加载的Ru(dcbpy)?2?复合物则提供了稳定的ECL信号发射，而该信号的强度受到目标触发的肽构象变化所调控。这种结合了分子识别、结构动态变化和纳米材料增强信号传导的平台，不仅提高了检测的灵敏度和特异性，还增强了传感器的稳定性和可重复性。

在优化条件下，该传感器能够实现SERPINE1的超灵敏检测，具有广泛的线性范围（0.05–800 ng/mL），检测限低至11.2 pg/mL，且表现出高特异性。实验结果显示，该传感器在缓冲液和复杂的生物基质中均能稳定运行，重复性良好（RSD = 4.2%），信号保留率超过85%（在8天后仍能保持较高水平）。在人血清样本中的验证也显示了良好的回收率（96.3–104.6%），进一步证明了其在临床应用中的可行性。

该研究的创新之处在于首次将MXene纳米材料与β-转角肽的构象变化机制相结合，用于ECL信号的调控。MXene作为二维纳米材料，因其优异的导电性、大的比表面积以及良好的化学稳定性，被广泛应用于生物传感器的构建。而β-转角肽的构象变化机制则为信号放大提供了新的思路，使传感器能够在目标存在时实现信号的增强，而无需依赖酶或二次标记物。这种“信号开启”机制不仅简化了检测流程，还提高了检测的准确性。

此外，该研究提出了一种模块化的生物传感策略，能够适应不同的临床需求。通过重新设计肽探针，该平台可以扩展至其他与疾病相关的靶标，例如其他SASP成分或肿瘤相关标志物。这种灵活性使得该传感器不仅适用于肺癌的早期诊断，还可能在其他癌症或慢性疾病的早期筛查中发挥重要作用。该策略的成功实施为开发高灵敏度、高特异性且易于操作的生物传感器提供了新的范式，有助于推动精准医学的发展。

从材料和试剂的角度来看，本研究使用了多种高纯度的化学试剂和纳米材料。例如，Ti?AlC?（MAX相）粉末购自11 Technology Co., Ltd.，氯金酸（HAuCl?·3H?O）、三（2,2′-联吡啶）二氯二茂钌（Ru(bpy)?Cl?·6H?O）、聚乙烯亚胺（PEI）、6-巯基-1-己醇（MCH）和三丙胺（TPA）均从Sigma-Aldrich或Aladdin Reagent Co., Ltd.获得。合成肽的序列（Cys-Gly-Leu-Arg-Arg-Pro-Lys-Pro-Gly-Gly-Val-Thr-Gly-Pro-His-His-Gly-Cys-His-His）被精心设计，以实现特定的识别和信号传导功能。这些材料的选择和组合不仅保证了传感器的稳定性，还提高了其检测性能。

在检测原理方面，该研究构建了一种基于肽构象变化的ECL检测方法。该方法利用了β-转角肽的结构特性，使其在无目标存在时处于催化失活状态，而在目标存在时能够展开结构，从而激活ECL信号。这种机制不仅避免了传统方法中对酶或标记物的依赖，还提高了检测的灵敏度和特异性。通过优化实验条件，研究团队成功实现了SERPINE1的超灵敏检测，并验证了该方法在复杂生物基质中的适用性。

该研究的结论表明，通过将β-转角肽的构象变化机制与MXene纳米材料相结合，成功构建了一种新型的ECL生物传感平台。该平台不仅能够实现SERPINE1的高灵敏度和高特异性检测，还具有良好的稳定性和可重复性。这一成果为开发适用于多种疾病相关靶标的生物传感器提供了新的思路，并有望在未来的临床诊断中发挥重要作用。此外，该研究还强调了该平台的模块化特性，使其能够通过重新设计肽探针来适应不同的检测需求，为精准医学的发展提供了有力支持。

综上所述，这项研究通过创新的材料设计和生物传感机制，成功开发了一种具有广阔应用前景的ECL生物传感器。该传感器在肺癌早期诊断中表现出优异的性能，同时其模块化和可扩展性也使其能够应用于其他疾病相关的检测任务。这一成果不仅推动了生物传感技术的发展，也为临床诊断提供了新的工具，有助于提高疾病筛查的效率和准确性。