《Biomaterials》：Oral Renal-Clearable Gold Supraclusters for Near-Infrared II Urinary Diagnosis of Ulcerative Colitis
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Bang Liu|Jinghang Li|Ming Li中国湖南省长沙市中南大学材料科学与工程学院，邮编410083摘要荧光生物传感为无创疾病诊断提供了一种极具前景的策略，但其在临床尿液分析中的应用却因缺乏荧光内源性生物标志物、检测灵敏度和特异性不足以及尿液自身荧光干扰而受到限制
Bang Liu|Jinghang Li|Ming Li
中国湖南省长沙市中南大学材料科学与工程学院，邮编410083
摘要
荧光生物传感为无创疾病诊断提供了一种极具前景的策略，但其在临床尿液分析中的应用却因缺乏荧光内源性生物标志物、检测灵敏度和特异性不足以及尿液自身荧光干扰而受到限制。在此，我们报道了一种可经口服给药且能通过肾脏排出的近红外II波段（NIR-II）荧光生物传感器（命名为supraNC@PPADT），作为一种合成外源性生物标志物，用于通过体外荧光尿液分析方法实现溃疡性结肠炎的早期诊断及治疗效果监测。该supraNC@PPADT生物传感器由一个金超纳米团簇核心构成，该核心被包裹在一种耐酸但能对活性氧物种产生响应的聚(1,4-苯乙酮二亚甲基硫代酮)保护壳中。经口服给药后，该生物传感器在健康的胃肠道中能够保持结构完整，而在发炎的肠道部位，由于活性氧的作用导致硫代酮键断裂，从而释放出可经肾脏排出的超小尺寸金纳米团簇。由于背景荧光干扰大幅降低，通过口服给予supraNC@PPADT生物传感器，便可在炎症性肠病小鼠模型中利用NIR-II荧光成像技术实时追踪炎症病灶。我们成功验证了该生物传感器在通过NIR-II荧光尿液分析方法实现小鼠炎症性肠病的早期诊断及治疗效果监测方面的应用，其检测时间明显早于传统的粪便钙卫蛋白ELISA检测方法，且灵敏度更高。
引言
由于其操作简单且无创，荧光尿液分析已成为临床和家庭环境中用于健康监测及疾病诊断的强大工具[1]、[2]、[3]。确定可靠的尿液生物标志物是其走向临床应用的关键，因为这些生物标志物直接决定了分析的灵敏度、特异性以及诊断的精准度。虽然包括蛋白质、核酸、代谢物以及小分子在内的多种内源物质已被成功用作各类疾病（如癌症、炎症性疾病以及免疫相关疾病）的尿液生物标志物[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]，但目前的荧光尿液分析技术在临床应用中仍面临诸多障碍。这些限制主要源于尿液生物标志物本身具有含量低、特异性不足以及在健康组织中持续表达的特性，而尿液基质成分带来的内在荧光干扰则进一步加剧了这些问题[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。此外，大多数内源生物标志物本身并不具备特征性的荧光信号，因此需要在免疫分析中添加荧光标记或采用直接的信号放大策略——这些方法要求大大增加了操作的复杂性及相关成本[16]、[17]。其他影响因素还包括饮食摄入、身体活动以及激素水平变化所导致的生物标志物水平的生理波动[18]。因此，开发兼具更高灵敏度与更强分子特异性的新型尿液分析技术，对于实现有效的诊断结果而言至关重要。
为克服内源生物标志物的种种局限，一种新兴策略是开发具有疾病靶向能力的合成外源性生物标志物[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。这类经过设计的生物标志物在全身给药后会聚集在病变部位，与疾病微环境发生特异性相互作用，随后释放出可经肾脏排出的报告分子，以便进行体外尿液分析。与传统内源生物标志物相比，合成外源性生物标志物具有诸多优势，包括更高的稳定性、更低的背景干扰以及更小的个体间差异[21]、[24]。尤其值得一提的是，由于其设计上的灵活性，可以通过有针对性地调控与疾病相关的分子相互作用，精确调节其灵敏度和特异性。近几十年来，人们对可经肾脏排出的合成生物标志物进行了大量研究，这类标志物包括超小尺寸金属纳米团簇、有机小分子、聚合物以及放射性标记的生物制剂，它们可通过质谱分析、免疫分析、比色法或荧光分析法进行检测[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。尽管取得了这些进展，合成外源性生物标志物在实现用于实时健康监测和诊断应用的准确荧光尿液分析方面仍面临重大挑战。首先，目前常用的诊断方法需要静脉给药，具有侵入性，这限制了它们的临床及家庭应用前景。而口服给药则是一种更具吸引力的替代方案，它无需使用针头，有助于提高患者的依从性，同时还能减少治疗时间和成本[30]。然而，这种给药方式也存在一些关键的技术难题，尤其是合成生物标志物在酸性环境以及酶解作用较强的胃肠道环境中容易发生降解。其次，大多数合成尿液生物标志物具有极小的尺寸，这在体内难以留存，会迅速被排出体外，因而无法提供病灶的空间定位信息[31]。第三，现有的荧光尿液分析平台大多使用在可见光区（400 - 700纳米）和近红外I波段（700 - 900纳米）发光的生物标志物，而这些波段与尿液中内源性荧光物质的固有发射光谱存在重叠，从而降低了诊断的灵敏度和特异性[32]、[33]。近红外II波段（1000 - 1700纳米）的荧光检测则由于光散射较少且自荧光较低，因此具有更高的空间分辨率、更深的组织穿透深度以及更好的信噪比[34]、[35]、[36]、[37]。然而，至今尚未有报道指出存在可通过口服给药的近红外II波段荧光合成生物标志物，能够同时实现体内成像与疾病尿液分析功能。
在此，我们报道了一种可通过口服给药的基于近红外II波段荧光金超纳米团簇（supraNC@PPADT）的生物传感器，该传感器具有双重功能：一方面可通过实时体内荧光成像技术定位炎症病灶，另一方面可通过远程体外尿液分析实现溃疡性结肠炎的无创诊断。该supraNC@PPADT生物传感器是通过将经谷胱甘肽保护的近红外II波段荧光金纳米团簇封装在一种对活性氧物种有响应的聚(1,4-苯乙酮二亚甲基硫代酮)保护壳中而制备而成的（见图1a）[38]、[39]。我们以炎症性肠病作为代表性疾病模型进行验证，该疾病是一种以反复发作为特征的慢性胃肠道疾病。这一设计策略旨在解决炎症性肠病管理中的两个关键问题：传统体内荧光成像的组织穿透深度有限，以及尿液诊断中存在较强的背景荧光干扰。耐酸的PPADT保护壳能够在口服给药后保护金超纳米团簇免受胃肠道恶劣环境中的降解（见图1b）。在活性氧水平较高的发炎肠道部位，活性氧会引发硫代酮键断裂，导致PPADT保护壳分解，进而释放出尺寸约为1.5纳米的超小金纳米团簇，这些团簇会迅速通过肾脏排出体外[39]。这些被排出的金纳米团簇可作为外源性尿液生物标志物，通过近红外II波段荧光尿液分析方法进行检测。与此同时，保留下来的supraNC@PPADT结构则可使实时近红外II波段荧光成像成为可能，从而以更深的穿透深度且更低的背景信号显示炎症性肠病病灶。在炎症性肠病小鼠模型中，我们证明了该传感器能够同时实现两个临床目标：通过近红外II波段成像技术精确显示发炎的肠道区域，以及通过对口服给予该生物传感器后的尿液样本进行定量近红外II波段荧光分析来实现对炎症性肠病的敏感诊断。这一双模态平台通过将针对病灶的定位与对近红外II波段荧光合成尿液生物标志物的无创检测相结合，克服了传统方法的局限性。
章节节选
supraNC@PPADT生物传感器的合成与表征
近红外II波段荧光的supraNC@PPADT生物传感器由一个金超纳米团簇核心和一个耐酸的PPADT保护壳组成，该金超纳米团簇核心是由可经肾脏排出的近红外II波段荧光金纳米团簇通过自组装形成的。该生物传感器的合成采用简单的乳化及溶剂蒸发法，具体过程如图1a所示。首先，根据先前的研究方法，使用1,4-苯二甲硫醚和2,2-二甲氧基丙烷合成了对活性氧物种有响应的PPADT聚合物
结论
总之，我们报道了一种可通过口服给药的近红外II波段荧光supraNC@PPADT生物传感器，该传感器可用于在小鼠模型中实现结肠炎病灶的定位、无创早期诊断以及炎症性肠病的治疗效果监测。该生物传感器由一个可通过肾脏排出的近红外II波段荧光金纳米团簇通过自组装形成的金超纳米团簇核心构成，该核心被包裹在耐酸的PPADT保护壳中。经口服给药后，supraNC@PPADT生物传感器在健康的
化学试剂与材料
实验过程中始终使用的是通过Millipore Direct-Q3紫外线系统制备的超高纯度水（25摄氏度时的电阻率为18.2兆欧·厘米）。所有试剂和溶剂均为分析级，除非另有说明，否则均直接使用，无需进一步纯化。谷胱甘肽（纯度98%）、1,4-苯二甲硫醚（纯度98%，即1,4-BDMT）、2,2-二甲氧基丙烷（纯度99%，即DMP）、氢氧化胆酸钠（纯度98%）、尼罗红（纯度98%）、胰蛋白酶（活性不低于250单位/毫克）以及拉喹尼莫德（纯度98%）均购自
CRediT作者贡献说明
Bang Liu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，研究，正式分析，数据整理，概念构建。Jinghang Li：撰写——审阅与编辑，方法学，研究，正式分析。Ming Li：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，资源提供，项目管理，方法学，资金获取，正式分析，数据整理，概念构建
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何已知的可能会影响本文所述工作的财务利益关系或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：52571239）以及芙蓉实验室科学研究计划（项目编号：2025PT5006）所提供的财政支持。
