一种基于高锰酸盐-过氧化氢耦合技术的便携式检测平台，用于对循环肿瘤细胞中的黄嘌呤氧化酶活性进行时间分辨分析

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A portable sensing platform enabled by permanganate-peroxide coupling for time-resolved analysis of xanthine oxidase activity in circulating tumor cells

　　

Xingyu Zhao|Sucheng Chen|Jiayun Chen|Haodong Fang|Jinglu Yao|Zhiyong Guo|Yufang Hu|Linlin Wu|Zhihe Qing

中国浙江省宁波市315211，宁波大学材料科学与化学工程学院

摘要

早期癌症诊断需要快速、灵敏且便携的方法来检测细胞代谢活动。在此，我们基于高锰酸钾-过氧化氢耦合机制，构建了一种便携式时间分辨生物传感平台，用于可视化并定量检测循环肿瘤细胞中的黄嘌呤氧化酶活性。在该机制中，XOD催化黄嘌呤氧化为尿酸，同时产生过氧化氢。生成的H₂O₂在弱酸性条件下可还原高锰酸钾，使得Mn(VII)物种的特征吸收迅速下降，颜色在60秒内从紫红色变为浅黄色，这一变化可见。由于生成的H₂O₂量与酶的转化速率直接相关，因此可将XOD活性转化为光学和数字比色信号。该反应可通过526纳米处的吸光度变化进行光谱监测，或通过智能手机的RGB分析实现无需仪器的定量检测。在优化条件下，光学响应与XOD活性的对数呈良好线性关系，检测限为0.0039 U/L（信噪比为3）。细胞实验表明，与正常细胞相比，癌症来源的CTC中XOD活性更高，且对XOD抑制剂和氧化应激有显著反应。该平台为细胞酶谱分析及即时癌症诊断提供了一种简单便捷的工具。

引言

循环肿瘤细胞是从原发肿瘤脱落、进入血液并扩散到远处器官的恶性细胞，其在癌症转移过程中起着关键作用[1]、[2]。它们已成为早期癌症诊断、疾病监测以及复发风险评估的重要生物标志物[3]。与传统的影像学检查和组织活检相比，基于外周血样本的CTC分析是一种微创且可重复的诊断方法[4]、[5]、[6]。此外，尤其是在乳腺癌、肺癌和前列腺癌等癌症中，CTC可在出现临床症状或影像学异常之前就被检测到，从而为早期干预提供重要机会[7]。尽管有这些优势，但由于CTC在血液循环中极为罕见，且与其正常血细胞表型相似，这限制了检测的灵敏度和特异性，因此CTC检测的临床应用仍面临挑战[8]、[9]。为解决这些问题，研究重点已从简单的CTC计数转向对其分子和代谢特征的全面分析，包括基因变异、表面生物标志物以及代谢特征[10]。液体活检技术的进步使得能够更灵敏地分析循环肿瘤生物标志物，从而实现超越简单细胞计数的分子特征分析[11]、[12]。这类分析有助于更深入地了解肿瘤的异质性、转移潜力、药物耐药性以及治疗反应。代谢谱分析作为一种有前景的策略，能够捕捉与癌症相关的功能变化，为深入了解CTC生物学特性提供更多信息，而不仅仅是简单的细胞计数[13]。

黄嘌呤氧化酶是一种含钼的酶，广泛存在于哺乳动物组织中，通过催化黄嘌呤氧化为尿酸，在嘌呤代谢中起核心作用[14]、[15]。异常的XOD活性会打破氧化还原平衡，与痛风、心血管疾病、代谢紊乱、衰老以及癌症等相关[16]、[17]、[18]。越来越多的证据表明，XOD表达异常会促进肿瘤的发生、进展和转移，因此它具有作为癌症诊断和预后功能生物标志物的潜力[19]、[20]、[21]。在肿瘤转移过程中，肿瘤细胞会发生代谢和氧化还原重编程，表现为活性氧生成增加以及嘌呤代谢改变，而XOD则是产生H₂O₂的主要来源，这种物质有助于肿瘤细胞的迁移、侵袭以及适应氧化应激环境[22]、[23]。监测CTC中的XOD活性不仅能提供超出简单计数的功能信息，还能反映细胞的代谢状态和转移潜力。然而，传统方法虽然灵敏，但需要复杂的仪器、繁琐的样品制备过程以及较长的检测时间，这限制了其在即时检测中的应用[24]。基于纳米材料的生物传感器虽提高了灵敏度和速度，但在稳定性、生物相容性以及重复性方面存在不足[25]、[26]。因此，人们越来越需要简单、可靠且性能优异的传感平台。近年来，借助智能手机的比色生物传感器，尤其是对H₂O₂敏感的系统，实现了快速视觉检测以及细胞内酶活性的监测[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。不过，目前仍缺乏一种快速、抗干扰且能用于CTC中XOD活性定量分析的单指标检测策略。

正是出于这些挑战，我们开发了一种基于高锰酸钾-过氧化氢耦合策略的便携式、高效生物传感平台，用于快速且时间分辨地分析CTC中的XOD活性。该传感机制依赖于由H₂O₂引发的比色反应，高锰酸钾在MnO₄^?被还原为低价态锰元素的作用下，会在60秒内从紫红色迅速变为浅黄色。这种颜色变化与H₂O₂浓度直接相关，可通过智能手机辅助的RGB分析进行量化，从而实现一种直观、低成本且无需仪器的检测方法，非常适合即时检测应用。通过监测526纳米处的特征吸收，该平台能够准确评估XOD活性以及黄嘌呤氧化过程中内源性H₂O₂的生成情况。与传统基于纳米材料的传感系统不同，所提出的策略采用单一指标的高锰酸钾-过氧化氢反应，无需依赖复杂的纳米结构材料，即可实现快速、高效且抗干扰的检测。该平台还在包括模拟CTC模型在内的细胞系统中得到了验证，以评估其分析细胞内XOD活性以及区分癌细胞的能力。这项工作为细胞内酶活性监测提供了多功能平台，也为癌症诊断和精准医学领域的便携式代谢特征分析带来了新的可能。

章节摘录

试剂与仪器

所有化学品和试剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。水溶液用Milli-Q蒸馏水（电阻率≥18 MΩ·cm）配制。黄嘌呤氧化酶和黄嘌呤购自中国上海的Sigma-Aldrich公司，而作为XOD特异性抑制剂的槲皮素则来自中国上海的MedChemExpress公司。过氧化氢和高锰酸钾由中国上海的Sangon Biotech Co., Ltd.提供。多巴胺、蔗糖

基于KMnO₄的传感平台的设计与工作原理

我们基于H₂O₂与KMnO₄之间的可编程氧化还原耦合反应，开发了一种基于KMnO₄的视觉传感平台，用于时间分辨分析XOD活性。该设计无需外部标记物或信号放大装置，即可将酶的转化速率转化为定量光学信号。如图1所示，XOD催化黄嘌呤氧化生成H₂O₂，后者在弱酸性条件下可还原KMnO₄，从而导致Mn(VII)的吸收强度下降，颜色从紫色变为浅黄色

结论

总之，我们成功开发了一种基于高锰酸钾-过氧化氢耦合策略的便携式、时间分辨生物传感平台，可用于快速可视化并定量分析细胞水平的酶活性，以XOD作为模型系统。该平台以KMnO₄作为单一的自指示比色探针，通过H₂O₂触发信号转导，在60秒内产生明显的紫外-可见吸收变化以及可观察到的颜色变化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢以下机构的资金支持：中国国家自然科学基金（项目编号：22222402）；浙江省自然科学基金（项目编号：LY24B050001）；浙江省教育厅一般科研项目（项目编号：Y202351582）；交叉研究项目（项目编号：HX2025000888、HK2025000636）；宁波市自然科学基金（项目编号：2024J415、2025S192）；浙江省博士后科研优秀人才资助计划-二类项目（