基于玉米醇溶蛋白膜与核壳分子印迹粒子的细胞外囊泡双靶点光子检测新策略

本综述推荐了一种创新的可持续生物传感平台，该平台利用玉米醇溶蛋白（zein）薄膜与核壳分子印迹聚合物（MIP）粒子相结合，实现了对细胞外囊泡（EVs）表面蛋白CD81和GLAST-1的双靶点高灵敏度检测。系统通过光子晶体结构色变化实现可视化无标记检测，在血清基质中检测限达飞克级别（CD81: 3.9 fg mL-1，GLAST-1: 6.2 fg mL-1），兼具生物相容性、可扩展性和微流控集成潜力，为EV多靶点检测提供了突破性解决方案。

　　

亮点

• 创新地将可持续玉米醇溶蛋白（zein）薄膜与核壳分子印迹聚合物（MIP）相结合

• 开发出可同时检测细胞外囊泡（EVs）两种表面蛋白（CD81/GLAST-1）的双靶点传感器

• 通过光子晶体结构色实现肉眼可见的无标记检测

• 在人类血清中达到飞克级别超高灵敏度（CD81: 3.9 fg mL^-1, GLAST-1: 6.2 fg mL^-1）

• 展示了未来微流控集成与多靶点检测的巨大潜力

引言

生物传感器近年来通过结合生物聚合物和仿生技术取得重大进展，响应了对可持续性和成本效益的迫切需求。生物聚合物天然具备生物相容性、可降解性和易修饰等优势（M. M. Elnashar 2010）。分子印迹聚合物（MIPs）作为仿生策略的典范，能够创建特异性结合靶分子的识别空腔，为传感应用提供强大工具（Dar et al. 2020; Sajini and Mathew 2021）。

核壳MIPs因其超大比表面积和丰富活性位点而成为传感新宠（Bhogal et al. 2020）。其结构通常以二氧化硅为核心提供稳定性，聚合物外壳则形成特异性识别空腔（Bhogal et al. 2020）。这种设计灵活性使其特别适用于细胞外囊泡（EVs）检测领域——EVs是细胞分泌的脂质双层颗粒，携带反映细胞状态的生物标志物，在癌症、神经退行性疾病和心血管疾病中具有重要价值（Maas et al. 2017）。

近期研究开始直接以外泌体（EVs亚型）为模板构建MIPs。例如通过荧光传感（Mori et al. 2019）和阻抗传感（Zhang et al. 2023a）实现外泌体检测。但真正的技术突破在于同一传感器内区分不同EVs亚群的能力（Zhang et al. 2019; Zhao et al. 2022）。

柔性生物聚合物基底为多靶点检测提供了理想平台，其材料多功能性和易改性特性支持多检测区集成（He et al. 2019; Verma et al. 2018）。同时，微流控技术的微型化趋势使传感器更适合床旁检测（Hannah et al. 2020），软光刻和3D打印等低成本技术进一步推动了EVs检测系统的发展（Karimi et al. 2024）。

为提高可持续性，天然生物聚合物如藻酸盐（Nasiraee et al. 2023）、琼脂糖（Yao and Fan 2021）和明胶（Jocic et al. 2017）被广泛应用。蛋白质基微流控（如丝蛋白Zhao et al. 2016和玉米醇溶蛋白zein）更具优势：可调刚度、易功能化、生物医学应用广泛。Zein作为玉米储存蛋白，是农业副产品（Jaski et al. 2022），为生物传感器制造提供了环境友好选择，但其应用潜力尚未充分开发。

本研究创新性地将核壳MIP粒子与zein基底结合，构建了比色传感系统。胶体粒子形成可见光区周期性光子结构，产生对环境变化敏感的结构色（Vaz et al. 2020）。针对EVs膜蛋白CD81和谷氨酸/天冬氨酸转运蛋白1（GLAST-1）开发了核壳MIPs——CD81是进化保守蛋白，存在于大多数EVs中（Kowal et al. 2017）并促进肿瘤侵袭（Vences-Catalan et al. 2021）；GLAST-1则在癌症重编程的星形胶质细胞中过表达，通过改变谷氨酰胺代谢促进癌细胞生长（Natarajan and Venneti 2019）。

光子结构整合了两种生物标志物的识别位点，通过反射光谱变化和肉眼可见的颜色变化实现无标记检测。基于可持续zein基底，我们评估了两种传感器组装方法以开发单/双靶点器件，证明这种结合低成本制造技术的策略未来可轻松适配微流控和多靶点分析，有望革新EVs亚群的简易、微型化、可视化检测。

结论与未来展望

本研究介绍了一种采用zein基柔性薄膜和核壳MIP粒子的新型可持续光子生物传感器设计。在柔性zein薄膜上模制通道、样品区和反应区的能力提供了一个多功能平台，而MIPs与光子结构的整合实现了无标记、选择性检测，特别适用于基于表面蛋白标志物的EVs分析。作为概念验证，以CD81和GLAST-1为靶标证明了MIP基传感策略的有效性，检测限达到飞克级别，且在人类血清中表现良好。未来工作将探索传感器在更复杂生物流体中的性能，并开发集成微流控装置，实现EVs多靶点检测。最终目标是创建低成本、用户友好、可持续的床旁诊断设备，推动精准医疗发展。