《Biosensors and Bioelectronics》：A Programmable Matrix-Robust Plasmonic MetaRing Biosensor for Rapid SERS-Based Chemotherapeutic Response Profiling
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可编程咖啡环纳米结构等离子体生物传感器通过调控纳米颗粒浓度与蒸发温度实现 deterministic 纳米组装，在复杂生物基质中保持高稳定性和优异的表面增强拉曼光谱（SERS）性能，快速无标记检测化疗药物敏感性并揭示代谢重编程机制，临床准确率达92%。
作者列表：岳芳、黄光耀、郝森森、陈斌、郝继青、王颖、刘楠、李振星、曹文、赵满坤、蒋汉翰、鲍兰欣、王俊平、王洪志
中国科学院合肥物质科学研究院健康医学技术研究所附属合肥癌症医院，中国安徽省合肥市蜀山湖路350号
摘要
快速评估化疗反应对于精准肿瘤学至关重要，但受到肿瘤异质性和复杂生物基质的限制。在这里，我们开发了MetaRing，这是一种可编程的咖啡环衍生等离子体生物传感器，通过双重调节纳米粒子浓度和蒸发温度来制造。该策略实现了纳米粒子的确定性组装，生成了具有密集且稳定纳米间隙的分层结构，并在水、PBS（磷酸盐缓冲液）、富含蛋白质的缓冲液和复杂的细胞裂解物中表现出卓越的基质鲁棒性。MetaRing能够使用最少的生物材料快速进行无标记的表面增强拉曼光谱（SERS）分析，以评估紫杉醇（PTX）的反应。在不同的耐药乳腺癌细胞系、异种移植肿瘤和患者来源的活检组织中，一致地识别出独特的PTX敏感性特征。代谢组学分析表明，这些光谱特征源于涉及精氨酸和甲硫氨酸-半胱氨酸途径的代谢重编程，为化疗耐药性提供了机制上的见解。通过与轻量级的一维卷积神经网络的集成，可以在不进行标记或培养扩增的情况下在10分钟内准确分类PTX敏感性，在临床队列中实现了超过92%的准确率。总体而言，MetaRing建立了一个强大且可扩展的等离子体平台，用于快速表型药物反应分析，具有很强的转化潜力。
引言
由于肿瘤异质性、代谢可塑性和细胞在细胞毒性压力下的动态适应，不同患者对化疗的反应存在显著差异（Abu Samaan等人，2019年；Alkhathami等人，2024年；Cai等人，2024年；Zhao等人，2024年）。即使对于一线药物如紫杉醇（PTX），具有相似遗传背景的乳腺肿瘤也常常表现出明显不同的治疗反应和代谢扰动（Gao等人，2023年；Guo等人，2022年；Wang等人，2021年；Wu等人，2022年）。因此，快速准确地识别对药物敏感和不敏感的肿瘤对于优化治疗策略、避免无效方案和减少不必要的毒性至关重要。然而，目前评估化疗反应的策略仍然缓慢、间接，并且与最小处理的临床样本兼容性较差。基因组或转录组分析仅提供对药物反应的推断性评估，无法捕捉药物作用的急性代谢或生化后果（Wang等人，2022年；Zhao等人，2022年）。体外类器官检测和基于细胞的药物测试通常需要几天到几周的时间，需要大量样本，并且人工培养条件与天然肿瘤微环境不同（Chen等人，2022年；Lee等人，2018年）。蛋白质组和免疫化学检测依赖于标记或固定步骤，并受到盐、蛋白质和内源性代谢物的严重基质干扰（Xu等人，2024年）。这些限制共同凸显了迫切需要快速、无标记且耐基质的分析平台，能够直接从最小处理的生物样本中分析化疗反应。
表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种强大的分子指纹分析技术已经出现，通过贵金属纳米结构附近的等离子体场增强提供了超高的灵敏度（Bi等人，2024年）。通过利用亚10纳米纳米粒子间隙或纳米粒子-基底接头处产生的电磁热点，SERS能够直接无标记地检测小分子代谢物、核碱基、脂质和药物诱导的生化特征（Bratchenko等人，2025年；Dodo等人，2022年；Kamp等人，2024年；Kao等人，2020年；Mo等人，2023年）。这些特性使得SERS特别适用于表型药物反应检测，其中敏感和不敏感肿瘤细胞之间的微妙代谢差异作为内在生物标志物。
尽管SERS具有分析潜力，但由于等离子体纳米结构的基质敏感性，其在生物环境中的实际应用仍然具有挑战性。生物样本在离子强度、蛋白质含量、粘度和表面活性方面存在很大差异。在高离子强度的缓冲液中，如磷酸盐缓冲液（PBS），纳米粒子经常发生盐诱导的聚集或静电屏蔽，破坏了可控的纳米间隙形成（Lin等人，2025年；Rist等人，2023年）。富含蛋白质的基质，包括牛血清白蛋白（BSA）溶液和细胞裂解物，促进非特异性吸附、纳米粒子桥接和等离子体热点的空间阻塞（Lin等人，2025年；Rist等人，2023年）。此外，含有脂质、核酸和酶碎片的复杂裂解物环境显著干扰了蒸发驱动的纳米粒子传输，影响了可重复的组装（Lin等人，2025年）。这些基质依赖性效应共同降低了信号的可重复性，减少了热点密度，并损害了分析的可靠性。因此，迫切需要设计出能够在多种生物基质中保持结构完整性和传感性能的等离子体架构。实现这种基质鲁棒的纳米结构需要系统地控制纳米粒子浓度、蒸发动力学和界面相互作用。
咖啡环介导的纳米粒子组装作为一种简单、可扩展且无需模板的等离子体架构制造方法，引起了越来越多的关注（Behrouzi等人，2025年；Liu等人，2023年）。蒸发诱导的毛细流动自发地将纳米粒子推向液滴边缘，形成富含亚10纳米纳米间隙的密集堆积环状结构（Behrouzi等人，2025年；Liu等人，2023年）。这些特性使得咖啡环组装成为SERS基底制造的理想自下而上策略（Jin等人，2024年；Rourke-Funderburg等人，2023年）。然而，天然的咖啡环组装缺乏可控性，特别是在复杂的生物系统中，这对分析应用造成了重大限制。最终架构受到纳米粒子浓度、蒸发速率、粒子扩散性和粒子间相互作用的复杂影响。这些参数的微小变化——如环境温度波动、纳米粒子装载的轻微差异或基底性质的微妙变化——会导致结构的大幅度变化、较差的可重复性和不可预测的热点分布。因此，传统的咖啡环基底无法满足生物复杂条件下的分析传感严格要求。
可靠的等离子体药物反应检测需要既精确工程化又具有内在基质鲁棒性的纳米结构。然而，传统的咖啡环组装对纳米间隙形成的控制有限，并且容易受到基质干扰（Jin等人，2024年）。克服这些限制需要一种将可编程性引入组装过程的材料工程策略。首先，是否可以通过同时调节纳米粒子浓度和蒸发温度，将咖啡环组装从随机现象转变为可编程的纳米组装过程？这种双参数调节有潜力确定性地塑造纳米间隙密度、热点架构和垂直堆叠行为。其次，由此产生的等离子体架构是否能够在多种生物基质中保持一致的结构和传感性能？解决这些挑战对于构建适用于实际临床环境的下一代SERS生物传感器至关重要。
在这里，我们介绍了MetaRing，这是一种通过双重调节纳米粒子浓度和蒸发温度来工程化的可编程咖啡环衍生等离子体纳米架构。通过同时控制这两个基本参数，MetaRing将蒸发驱动的流动转变为确定性的组装过程，产生了富含丰富4-6纳米纳米间隙的多层等离子体超结构。这种可编程性使得能够精确控制热点密度、信号均匀性和基底可重复性。重要的是，MetaRing表现出内在的基质鲁棒性，在水、PBS、含蛋白质的BSA溶液和高度复杂的细胞裂解物中保持结构完整性和传感性能。与传统基底相比，MetaRing在离子和蛋白质干扰下仍保持热点可访问性和电磁增强（图1）。
利用其可编程性和基质韧性，MetaRing能够直接从复杂样本中快速进行等离子体分析，以评估化疗反应。从对紫杉醇敏感和对紫杉醇不敏感的乳腺癌细胞中获得的独特SERS特征揭示了药物暴露引起的特征性代谢变化。这些特征是在不进行标记或培养扩增的情况下获得的，使得能够在微小尺度上区分治疗表型。关键的是，MetaRing在多个生物尺度上保持了一致的指纹识别能力，包括耐药细胞系、接受紫杉醇治疗的异种移植肿瘤和来自活检的临床样本。这种多层次的验证表明，MetaRing能够捕捉生理相关的药物反应特征。当与轻量级机器学习分类器结合使用时，该平台能够在10分钟内准确识别药物敏感性状态，进一步突显了其转化潜力。总体而言，MetaRing建立了一个快速且耐基质的等离子体生物传感平台，适用于治疗分层和更广泛的分析应用。
MetaRing系统架构
MetaRing是一个集成的诊断系统，统一了三个模块：一个SERS基底、基于拉曼的代谢传感过程和一个基于ZFNet的深度学习分类器。MetaRing包括两个组件：（1）通过咖啡环诱导的银纳米粒子（Ag NPs）自组装制造的纳米结构SERS芯片，能够选择性地增强小分子代谢物信号；（2）一个从ZFNet改编的一维卷积神经网络，用于分类
通过双重调节纳米粒子浓度和蒸发温度来工程化可编程的MetaRing基底
生物系统中含有多种低丰度的代谢物，可以使用SERS以超高灵敏度检测到这些代谢物。然而，在复杂的细胞环境中高效快速地分离代谢物仍然具有挑战性。为了解决这一挑战，我们开发了一种无标记的、快速自组装的SERS基底，称为MetaRing。其制造过程利用了咖啡环效应（CRE）（图1A,B）（Behrouzi等人，2025年；Jin等人，2024年；Liu等人，2023年）：在液滴
结论
总之，我们介绍了MetaRing，这是一种通过双重调节纳米粒子浓度和蒸发温度工程化的可编程咖啡环衍生等离子体超结构。该策略将传统的咖啡环沉积转变为可控的纳米组装过程，产生了具有密集且稳定纳米间隙的多层架构。MetaRing表现出卓越的基质鲁棒性，在水、PBS、富含蛋白质的缓冲液中保持结构完整性和传感保真度
CRediT作者贡献声明
王俊平：可视化、验证、软件、数据管理。黄光耀：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、验证、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。鲍兰欣：验证、研究。岳芳：撰写 – 原始草稿、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。蒋汉翰：研究、数据
未引用的参考文献
Liu等人，2023年；Ranjan和Jha，2021年；Shen等人，2015年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了安徽省健康研究计划（AHWJ2024BAb30011，AHWJ2023BAa20074）、中国科学院合肥物质科学研究院的青年项目基金（YZJJ2024QN47）、中国科学院的合肥癌症医院乳腺癌关键研究项目（Y24ZL0020102）以及中国科学院的合肥癌症医院杰出青年医学人才项目（2000000005）的支持。MetaRing这个名字是由作者们构思的，以反映
