基于Ti3C2Tx MXene/BSA水凝胶电化学生物传感器快速检测肾移植急性排斥反应

这篇研究报道了一种革命性的电化学生物传感器（EB），通过Ti3C2Tx MXene交联牛血清白蛋白（BSA）水凝胶修饰的丝网印刷碳电极（SPCE），实现了仅需5 μL未处理尿液、15分钟内同步检测CXCL9/CXCL10趋化因子（灵敏度达pg/mL级）。结合机器学习分类器（准确率98%），该平台突破了传统活检（24-72小时）和ELISA的局限，为肾移植急性排斥反应（AR）提供了首个可扩展的床旁检测（POC）方案。

　　

摘要

肾移植受者面临高达20%的急性排斥反应（AR）风险，现有活检诊断存在侵入性、高成本和时间延迟等问题。研究团队开发出新型电化学生物传感器，利用Ti₃C₂T_x MXene交联BSA水凝胶修饰电极，在15分钟内实现尿液中CXCL9/CXCL10双趋化因子的单数字pg/mL级检测。该平台兼具抗生物污染特性和30天稳定性，临床研究中结合逻辑回归分类器使AR诊断准确率达83%，整合临床特征后提升至98%。

1 引言

终末期肾病（ESKD）患者依赖肾移植生存，但AR仍是移植失败主因。当前金标准——穿刺活检存在出血风险和采样误差，而血清肌酐（sCr）等指标灵敏度不足。近年研究发现，尿液中CXCL9/CXCL10能区分T细胞介导和抗体介导的AR亚型，且早于sCr升高出现。传统ELISA检测受尿液复杂基质干扰，且需24-72小时。电化学生物传感器虽具潜力，但常受非特异性结合困扰。本研究通过MXene/BSA/GA纳米复合材料解决这一难题，结合机器学习开创非侵入性AR实时监测新范式。

2 结果

2.1 纳米复合电极的电化学行为

MXene/BSA/GA复合材料使电极在50-200 mV/s扫描速率下保持准可逆电子转移，功能化抗体后仍维持多孔扩散特性。暴露于未稀释尿液24小时后，电流变化<2%，显著优于未涂层电极35%的衰减。CXCL9结合时，表面电荷重分布使还原峰电流在-0.3 V处呈浓度依赖性增长，1-10⁴ pg/mL范围内呈现对数线性响应。

2.2 材料形貌与交联特性

SEM显示MXene纳米片均匀嵌入BSA/GA基质，AFM测得粗糙度（R_q）从10 nm增至23 nm。UV-Vis光谱中272 nm处峰增强及330 nm肩峰消失证实GA交联成功，FTIR显示酰胺键形成。接触角降低44°证明亲水性提升，通过水合层屏蔽作用增强抗污染性能。

2.3 双生物标志物检测性能

CXCL9/CXCL10传感器的检测限（LOD）分别为6.9/5.7 pg/mL，与ELISA相当但信噪比（SNR）提高2倍。交叉反应测试显示特异性结合率>96%，常见尿液干扰物（如尿酸、肌酐）影响<3%。4°C储存3周信号衰减<5%，满足临床稳定性需求。

2.4 临床样本验证

60例移植患者双盲试验显示，EB与ELISA结果高度一致（R²>0.95）。Bland-Altman分析显示CXCL9平均偏差5.4 pg/mL。AR组趋化因子浓度显著高于非AR组（p<0.01），但5例假阳性中4例为急性肾小管损伤，1例系BK多瘤病毒（BKPyV）感染。

2.5 数据驱动分类模型

Pearson分析显示CXCL9/CXCL10与活检结果相关性最强（PCC>0.5）。仅用双趋化因子的模型AUC达0.83，加入DSA、HLA错配等特征后AUC升至0.987。特征重要性排序证实趋化因子是最强预测指标，而供体类型、受体年龄等临床参数提供增量信息。

3 讨论与结论

相比每次￡1000-3000的活检和￡50-150的ELISA，该传感器成本<￡1.2/片。通过整合MXene导电性、BSA抗污染性和机器学习算法，首次实现AR的15分钟床旁诊断。未来需扩大样本量以区分AR亚型，并开发自动化流体系统推动临床转化。

4 实验方法

采用丝网印刷碳电极（DropSens 110），MXene/BSA/GA通过戊二醛交联，抗体通过EDC/NHS活化固定。临床尿液样本经-80°C保存，检测前解冻。ELISA按厂家说明操作，机器学习采用Python 3.9实现1000次bootstrap逻辑回归验证。