《Biosensors and Bioelectronics》：Information-driven nanozyme screening enabled sensitive detection of seminal neutral α-glucosidase activity reveals clinical infertility relevance
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摘要精液中的中性α-葡萄糖苷酶（NAG）作为一种有前景的附睾功能诊断标志物而受到关注；然而，由于其含量低且每次射精的样本量有限，导致其准确定量受到限制，因此需要高灵敏度的分析方法。在此，我们建立了一种纳米酶增强型比色法，通过信息驱动的纳米酶筛选工作流程来灵敏地检测精液中的NAG活
摘要
精液中的中性α-葡萄糖苷酶（NAG）作为一种有前景的附睾功能诊断标志物而受到关注；然而，由于其含量低且每次射精的样本量有限，导致其准确定量受到限制，因此需要高灵敏度的分析方法。在此，我们建立了一种纳米酶增强型比色法，通过信息驱动的纳米酶筛选工作流程来灵敏地检测精液中的NAG活性。基于机器学习的筛选优先选择了含Mn(Ⅳ)的材料，并结合合成可行性和化学稳定性考虑，最终确定MnO2作为实验可行的候选物。随后使用大型语言模型辅助的检索增强生成框架来生成基于文献的MnO2合成路线。按照预测的方案合成了高活性的类氧化酶α-MnO2，证实了其对3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）显色反应的有效催化作用。在建立的检测方法中，NAG特异性地水解α-阿布丁，释放出氢醌，后者作为还原剂抑制α-MnO2对TMB的氧化，产生浓度依赖性的吸光度响应。这一原理使得NAG活性的定量分析成为可能，检测限低至0.97 mU/mL，远优于以往的方法，并允许使用微量精液样本进行即时检测。我们的基于纳米酶的检测方法的可靠性已通过临床样本得到了严格验证。值得注意的是，临床测试显示精液NAG活性与男性生育能力之间存在显著相关性，这突显了我们的生物传感平台在不孕症诊所中对男性生殖能力评估的实际应用价值。
引言
实现全民健康覆盖（UHC），包括全面的性与生殖健康服务，需要可获取、高质量且基于证据的诊断工具（世界卫生组织2021年）。在这种情况下，精液检查对于评估男性生殖功能、指导不孕症管理和监测治疗反应至关重要。然而，传统的精液参数无法完全反映附睾的功能，而附睾在精子成熟、功能获得、储存和运输过程中起着不可或缺的作用（Eisenberg等人2023年）。精液中的中性α-葡萄糖苷酶（NAG）是一种在附睾中产生的酶，已成为一种有前景的生化指标，可以补充传统的精液参数。NAG活性降低可能表明附睾分泌受损或男性生殖道存在阻塞，使其成为评估男性不孕症病因的重要辅助生物标志物。因此，建立一种可靠且易于获取的NAG定量方法对于确保准确诊断、治疗监测和预后评估具有重要的临床价值。
目前，可以通过多种技术测量NAG，包括比色法（Chen等人2024年；Cheng等人2019年；Zhang等人2015年）、光电化学传感器（Qin等人2023年；Shao等人2023年）、荧光探针（Li等人2022a年；Zhao等人2022年）和高性能液相色谱法（Xu等人2024年）。其中，比色法因其操作简单、成本低、反应迅速和可视化读数而成为临床应用的实用选择（Sekar等人2024年）。然而，传统的NAG活性比色法通常灵敏度较低。当用于分析如精液这样的样本时，其适用性可能受到限制，因为目标分析物的含量低且每次射精的可用样本量有限。这就需要开发更灵敏的分析方法。
近年来，纳米酶在基于催化的传感应用中越来越受到关注（Liang等人2023年；Wang等人2026年；Zhang等人2024年；Zhu等人2025年），这归功于它们的低成本、可调的类酶活性、易于制备和良好的存储稳定性（Diao等人2025年；Li等人2022b年；Liang等人2024年；Liu等人2026年；Wu等人2019年）。这些特性使纳米酶在各种传感平台中得到广泛应用（Chen等人2025年；Cui等人2026年；Li等人2026年；Wu等人2019年；Zhu等人2022年）。尽管如此，大多数纳米酶的催化活性仍不如天然酶，特别是在反应动力学和整体催化效率方面（Singh等人2025年；Tian等人2024年），这限制了它们在需要高催化输出的复杂反应体系中的应用。尽管已经广泛探索了通过成分调控、结构工程和表面功能化来提高纳米酶性能（Sun等人2025年；Zandieh和Liu 2024年），但纳米酶催化的基本结构-活性关系仍未完全阐明（Xu和Fan 2026年）。开发具有所需催化特性的纳米酶仍然主要依赖耗时、劳动密集型的试错方法（Cai等人2026年）。最近的进展表明，人工智能（AI）可以加速数据驱动设计策略在纳米酶研究中的应用（Li等人2022c年；Wei等人2022年；Yu等人2025年；Zhao等人2025年）。通过将计算算法与大规模数据集相结合，这些策略能够预测和优化类酶纳米材料的设计，同时提高设计效率。尽管取得了这些进展，目前的AI驱动努力仍然主要依赖于简单的计算模型或有限的描述符库，往往忽略了多算法的协同整合。因此，AI和数据科学在高性能纳米酶的合理设计和高通量筛选中的潜力尚未得到充分利用。
基于上述考虑，我们在本工作中开发了一种纳米酶增强型比色法，通过提出一种AI辅助的信息驱动工作流程来合理筛选具有优异催化活性的纳米酶，从而灵敏地检测精液中的NAG活性。具体来说，使用基于机器学习（ML）的筛选和Shapley Additive exPlanations（SHAP）分析来优先选择有前景的纳米酶候选物，并确定关键特征，重点关注含Mn(Ⅳ)的材料。随后使用大型语言模型（LLM）辅助的检索增强生成（RAG）框架来生成基于文献的MnO2合成路线。实验验证确认合成的α-MnO2纳米线能够有效催化3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）显色反应。在建立的检测方法中，NAG特异性地水解α-阿布丁生成氢醌，后者作为还原剂抑制纳米酶催化的TMB氧化，产生浓度依赖性的吸光度响应，从而能够定量测量NAG活性。我们的基于纳米酶的检测方法的可靠性已通过临床精液样本得到了严格验证。此外，还进行了临床测试，以揭示精液NAG活性与传统精液参数之间的相关性，进一步强调了我们的生物传感平台在评估男性生殖功能方面的实际应用价值。
章节片段
实验部分
所有实验细节，包括化学品、仪器、数据库构建和信息处理、使用ML模型筛选和预测候选纳米酶、基于LLM辅助的RAG合成路线生成、MnO2纳米酶的合成、MnO2的类氧化酶催化性能评估、NAG活性的比色检测以及临床样本测试和相关性研究，均描述在支持信息中。
纳米酶数据库构建
在本研究中，我们开发了一种“信息挖掘-特征选择-机器学习-候选物筛选”的工作流程，以识别具有最佳类氧化酶性能的纳米酶（图1A）。对Web of Science Core Collection的全面搜索发现了2,522篇与类氧化酶纳米酶相关的文献（图1B），表明人们对开发用于各种应用的类氧化酶模拟物的兴趣日益增加。
结论
总之，我们的信息驱动工作流程优先选择了含Mn(Ⅳ)的纳米酶候选物，并引导实际选择了MnO2进行实验验证。在随后合成的α-和β-MnO2多形体中，α-MnO2表现出更好的类氧化酶性能，因此被用于构建一种灵敏的精液NAG活性比色法。与标准临床方法的严格统计比较证实了其分析准确性和可靠性。
Juanli Yang:撰写——原始草稿、可视化、软件、资源、方法学、研究、资金获取、概念化。Linjie Wang:撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法学、概念化。Xiangheng Niu:撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。Zheng Tang:撰写——原始草稿，
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
本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：22576094）、华南大学第一附属医院医学与工程跨学科研究计划（编号：IRP-M&E-2025-03）、华南大学的启动研究基金（编号：221RGC011）、中国湖南省的关键研究与开发（R&D）项目（编号：2024JK2118）以及湖南省自然科学基金（编号：2024JJ9377）的支持。部分语言
Zheng Tang|Juanli Yang|Linjie Wang|Ni Zhang|Jiaxi Ji|Youyi Yang|Yujie Li|Shuangquan Liu|Dandan Tian|Xinyu Chen|Xiangheng Niu
华南大学衡阳医学院临床实验室医学系，衡阳421001，中国
