基于AuNPs/CuCo2O4的电化学发光适配体传感器用于检测阿尔茨海默病的生物标志物p-tau181

《Microchemical Journal》：An electrochemiluminescent aptasensor based on AuNPs/CuCo2O4 for detection of p-tau181: A biomarker of Alzheimer's disease

　　

Kang Kong|Wenqing Geng|Yueju Wang|Rong Tan|Yifeng Tu

• •
  一种基于ECL信号的p-tau181适配体传感器具备高特异性、准确性和便捷性。
• •
  p-tau181生物标志物有助于阿尔茨海默病的早期诊断。
• •
  AuNPs/CuCo₂O₄能够实现有效的信号放大。

引言

阿尔茨海默病是一种中枢神经系统的神经退行性疾病，其表现为记忆丧失和认知功能下降。从病理角度来看，该疾病是由于细胞外淀粉样β肽斑块以及由tau蛋白构成的细胞内神经纤维缠结所导致的。[1]然而，阿尔茨海默病的确切发病机制仍不明确，目前临床上也尚无有效的治愈药物。[2]全球范围内，患有痴呆症的人数为5740万，预计到2050年这一数字将上升至1.528亿，其中阿尔茨海默病约占这些病例的60%至80%。[3]、[4]、[5]值得注意的是，阿尔茨海默病不仅会降低患者的生活质量，还会给他们的照护者带来沉重负担，给家庭和社会带来巨大压力。[6]、[7]因此，实现阿尔茨海默病的早期诊断并及时采取针对性治疗，对于提升患者生活质量及延缓疾病进展至关重要。

但目前，临床上要对阿尔茨海默病做出明确诊断，往往需要通过有创的腰椎穿刺或成本较高的淀粉样β（Aβ）/tau正电子发射断层扫描，而这些方法难以做到及时检测。[8]由于具有较低的侵入性、易于获取以及适合用于疾病随访监测等优点，外周血长期以来一直是研究人员寻找阿尔茨海默病早期特异性生物标志物的研究重点。[9]近年来，血浆中过度磷酸化的tau蛋白作为阿尔茨海默病的血液生物标志物，越来越受到关注。[10]其中，苏氨酸181位点磷酸化的tau蛋白（p-tau181）是最受关注的候选蛋白之一。[11>有趣的是，即使在轻度认知功能障碍阶段以及临床前期，血浆中p-tau181的水平也会出现显著升高，且该指标在阿尔茨海默病的早期诊断和鉴别诊断中都具有较好的区分度。[12]

电化学发光技术被用作适配体传感器中的转导元件，它结合了化学发光技术的诸多优势。[13]该技术具有超高的灵敏度、宽广的动态范围、快速简便的操作流程，同时还具备稳定的标记特性，便于与生物识别检测方法相结合。[14]这些传感器以可在体外筛选得到的适配体作为生物传感载体，利用适配体与目标分子之间的高特异性亲和力发挥作用。其应用范围涵盖从小分子到大型蛋白质，甚至整个细胞，从而有助于开发多种基于适配体的生物传感器。[15]而基于纳米材料的放大机制则依赖于这些材料出色的电催化活性、高电导率以及较大的比表面积等特性。[16]这类材料已被广泛用作功能性材料或助反应剂，以促进电子转移，进而增强电化学发光信号强度，[17]因此被大量应用于电化学发光系统中。[18]、[19]、[20]

在各种过渡金属氧化物中，三元金属氧化物（如尖晶石）相较于单金属氧化物具有更高的电导率以及更优异的电化学活性。[21]CuCo₂O₄已被广泛应用于超级电容器、生物燃料电池、电化学储能以及氧还原反应等领域。[22]、[23]、[24]、[25]其优点主要在于成本低廉、环境友好以及优异的电化学活性等。得益于CuCo₂O₄出色的过氧化酶样催化活性，它可以通过氧空位的作用，高效地将溶解氧转化为活性氧物种。[26]、[27]同时，金纳米粒子能够加速界面处的电子转移，这一功能在传感器构建中起着至关重要的作用，它不仅能提升材料的电导率，还有利于金属元素的氧化还原反应。[28]因此，当AuNPs/CuCo₂O₄纳米复合材料中的这两种成分协同作用时，能够显著增强活性氧的生成，进而通过自由基间的能量传递来增强鲁米诺的电化学发光强度。此外，金纳米粒子还具有良好的生物相容性，能够为生物分子提供结合位点，可用于构建用于固定生物传感器传感载体的基底。[29]

基于此，研究人员开发了一种基于AuNPs/CuCo₂O₄的电化学发光适配体传感器，用于检测p-tau181。由于CuCo₂O₄具备出色的过氧化酶样活性，因此能够增强鲁米诺的电化学发光信号。以p-tau181适配体作为生物识别传感载体时，当p-tau181与该适配体结合后，电荷转移电阻和物质传输电阻会增加，从而导致电化学发光信号减弱。本研究中所开发的适配体传感器在检测血浆中的p-tau181方面表现出良好的性能，有望成为阿尔茨海默病早期诊断的有效工具。

章节摘要

实验部分

实验所使用的化学品和仪器清单详见补充信息（第1节）。

AuNPs/CuCo₂O₄的特性分析

通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对CuCo₂O₄以及AuNPs/CuCo₂O₄的形态和尺寸进行了分析。如图1A和B中的扫描电子显微镜及透射电子显微镜图像（插图）所示，这两种材料均呈现为尺寸均匀为300纳米的纳米球结构，同时还存在尺寸为330纳米的混合颗粒，这证明了AuNPs/CuCo₂O₄已成功合成。此外，研究人员还对CuCo₂O₄和AuNPs/CuCo₂O₄的X射线衍射图谱进行了测试，并与标准图谱进行对比，以此分析它们的晶体结构，结果如图1C所示。在2θ值为

结论

综上所述，研究人员利用AuNPs/CuCo₂O₄纳米复合材料作为传感基底，构建了一种新型的电化学发光适配体传感器，用于检测血浆中的p-tau181。这种纳米复合材料具有出色的过氧化酶样活性，能够显著增强鲁米诺的电化学发光信号；同时，金纳米粒子出色的生物相容性也为适配体的固定提供了合适的位点。与其他检测p-tau181的方法相比，这款电化学发光适配体传感器展现出

作者贡献说明

Kang Kong：负责初稿撰写、实验研究以及数据整理工作。Wenqing Geng：负责资源准备、实验研究以及数据整理工作。Yueju Wang：负责资源准备、正式数据分析以及研究概念构思工作。Rong Tan：负责结果验证、方法设计以及数据整理工作。Yifeng Tu：负责文章审阅与编辑、项目监管、资金申请以及研究概念构思工作。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本项研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：21675115）。