基于磁性微球电化学夹心法检测芯片上胎儿膜模型及胎盘巨噬细胞中炎症因子IL-1β的研究及其在早产预警中的应用

本文针对早产（PTB）生物标志物检测技术存在的时间长、成本高、样本需求量大等问题，开发了一种新型磁性微球电化学夹心法（MBESA），用于定量检测炎症因子IL-1β。研究结合胎儿膜器官芯片（FMOC）模型，成功实现了对细菌感染条件下IL-1β的高灵敏度（10–600 pg/mL）、快速检测，并与传统ELISA方法结果无显著差异。该技术为炎症驱动型早产的即时诊断（POC）提供了新策略。

　　

在全球范围内，早产（Preterm Birth, PTB）的发生率在过去十年中并未出现明显下降，这很大程度上是由于缺乏有效的早期预测和诊断技术。早产的一个重要诱因是胎膜早破（Preterm Premature Rupture of Membranes, PPROM），常由绒毛膜羊膜炎等感染性疾病引发。感染会激活炎症反应，促使多种炎症因子释放，其中白细胞介素-1β（Interleukin-1β, IL-1β）在触发免疫级联反应、导致早产的过程中扮演着核心角色。因此，准确、快速地检测生物模型中的IL-1β水平，对于早产的预测和预防至关重要。

目前，酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）是检测细胞因子的“金标准”。然而，ELISA技术存在诸多局限：试剂成本高昂、所需样本体积大、检测时间长（通常数小时）、易出现假阳性结果，并且不同商业试剂盒间存在差异，难以与微流体系统或床旁诊断（Point-of-Care, POC）平台集成。这些缺点限制了其在实时、快速临床诊断中的应用。

为了突破这些限制，研究人员开始探索新的检测技术。其中，基于磁性微球的电化学免疫传感器因其高灵敏度、低样本需求、快速响应以及易于集成到微型化诊断平台等优势而展现出巨大潜力。然而，许多已报道的传感器依赖于复杂的纳米结构电极、繁琐的表面修饰或大型精密仪器（如质谱、高效液相色谱），这些不仅制作工艺复杂、成本高，而且难以在临床环境中推广应用。此外，这些技术大多未应用于生殖健康研究模型，特别是与妊娠相关的复杂生物环境。

在此背景下，来自范德比尔特大学（Vanderbilt University）的Hannah A. Richards、Olivia E. Owens、Jacklyn E. Martin和David E. Cliffel开展了一项创新性研究。他们成功开发了一种新型的磁性微球电化学夹心法（Magnetic Bead Electrochemical Sandwich Assay, MBESA），用于定量检测炎症因子IL-1β。更重要的是，他们将此检测技术与一种模拟人胎儿膜生理功能的胎儿膜器官芯片（Fetal Membrane Organ on-a-chip, FMOC）模型相结合，在体外研究了细菌感染下的炎症反应。这项研究成果发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》上，为早产的机制研究和临床诊断提供了新的工具和见解。

为开展本研究，作者主要应用了几项关键技术：1. 磁性微球电化学夹心法（MBESA）的构建与优化：使用环氧功能化的磁性微球（Dynabeads? M-270 Epoxy）共价偶联IL-1β捕获抗体，通过生物素-链霉亲和素系统放大信号，并采用电化学方法检测TMB（3,3′,5,5′-四甲基联苯胺）的还原电流，从而定量IL-1β。该方法的关键创新在于将检测反应（在微球上）与电化学测量（在裸电极上）分离，避免了电极修饰带来的不稳定性和干扰，提高了检测的可靠性和可重复性。2. 胎儿膜器官芯片（FMOC）模型的构建与应用：利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和光刻技术制作微流体芯片，模拟母胎界面的结构。芯片中包含分别培养母源蜕膜基质细胞（Decidual Stromal Cells, DSCs）和胎儿源绒毛膜滋养层细胞（Cytotrophoblasts, CTBs）的腔室，中间通过包裹细胞外基质（ECM）的通道分隔，用于研究细胞间相互作用和炎症因子释放。3. 细胞模型与刺激实验：使用THP-1单核细胞系（经PMA诱导分化为巨噬细胞）以及HTR-8/SVneo绒毛膜滋养层细胞和THESC蜕膜基质细胞系。用大肠杆菌来源的脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）刺激细胞，模拟细菌感染，并收集不同时间点的细胞培养上清液用于MBESA和ELISA检测。4. 统计分析与方法学比较：使用GraphPad Prism软件进行统计学分析（配对Student's t检验），比较MBESA与商品化ELISA试剂盒的检测结果，以验证新方法的准确性。

研究结果通过以下几个部分呈现：

3.1. 胎儿膜器官芯片模型体外模拟人胎儿膜

研究者成功构建了FMOC模型，该芯片具有三个通道，中央腔室由梯形支柱分隔，能够共培养DSCs和CTBs，模拟关键的母胎界面——绒毛膜蜕膜（choriodecidua）。他们将B族链球菌（Group B Streptococcus, GBS）引入该模型，模拟感染条件，并监测炎症反应。结果表明，FMOC能够成功地在体外复制GBS感染的胎儿膜，为研究IL-1β的炎症响应提供了一个生理相关的平台。

3.2. MBESA作为炎症细胞因子检测的替代ELISA技术

MBESA的设计核心如文中图1所示：首先，捕获抗体包被的磁性微球与样本中的IL-1β结合；随后，加入生物素标记的检测抗体形成“夹心”复合物；接着，通过链霉亲和素-辣根过氧化物酶（Streptavidin-HRP）结合；最后加入TMB底物，HRP催化TMB发生氧化反应产生可测量的电流信号，该信号与IL-1β浓度成正比。研究人员首先在PBS缓冲液中对MBESA进行了校准，检测范围在25–600 pg/mL之间，涵盖了早产生物样本中IL-1β的生理浓度范围。实验证明了该方法在不同批次的微球和不同时间点（蛋白质储存可达72小时）均具有良好的重复性和稳定性。

3.3. 在生物背景中用于炎症细胞因子检测的MBESA

为了验证MBESA在复杂生物样本中的性能，研究者在含有10%胎牛血清（FBS）和1%抗生素/抗真菌剂的RPMI 1640（胎儿细胞培养基）和DMEM（母体细胞培养基）中进行了校准。在这两种生物培养基中，MBESA在25–600 pg/mL范围内均呈现出良好的线性关系（R2 = 0.99），检测限（LOD）分别为13 pg/mL和16 pg/mL，定量限（LOQ）分别为45 pg/mL和52 pg/mL。结果表明，MBESA能够克服生物基质带来的潜在干扰，适用于实际生物样本的检测。

3.4. MBESA定量LPS刺激的巨噬细胞样本中的IL-1β浓度

研究的最终目的是将MBESA应用于真实的生物样本。他们用LPS刺激THP-1来源的巨噬细胞，并收集不同时间点（5分钟至2小时）的上清液，分别用MBESA和传统ELISA进行检测。统计分析表明，两种方法测得的结果无显著性差异（P = 0.17），证实了MBESA的准确性。进一步分析发现，与未处理的对照组相比，LPS处理组在30分钟、1小时和2小时时IL-1β的分泌量均显著增加（P < 0.05）。其中，在感染后30至60分钟期间，IL-1β的分泌最为活跃，这表明THP-1巨噬细胞在识别感染条件后迅速启动了强烈的炎症反应。

本研究成功开发并验证了一种新型的磁性微球电化学夹心法（MBESA），用于快速、灵敏地检测炎症细胞因子IL-1β。该方法与传统的ELISA相比，结果无显著差异，但具有试剂用量少、检测速度快、易于与微流体系统集成等突出优点。同时，研究者利用胎儿膜器官芯片（FMOC）模型，在体外模拟了感染条件下的母胎界面炎症反应，为研究早产的分子机制提供了一个强大的平台。

研究的结论部分指出，MBESA技术有望发展成为一款床旁诊断（POC）工具，能够在半小时内完成样本定量，这对于早产的早期预警和干预具有重要意义。尽管当前研究仍存在一些局限性，例如依赖实验室级别的电化学工作站、尚未实现高通量检测等，但未来的工作将集中于与便携式电位计集成、扩展多重检测能力（如同时检测IL-6、TNF-α等其他PTB相关生物标志物），并在更复杂的临床样本中进行验证。

总之，这项工作不仅提供了一种优于ELISA的蛋白质检测新技术，更重要的是将先进的检测方法与创新的生物模型相结合，推动了生殖免疫学领域的基础研究，并为开发针对炎症驱动型早产的即时诊断工具奠定了坚实的基础。