基于接口调制光纤生物传感器的临床样品真菌生物标志物定量评估

研究背景：

侵袭性真菌感染是一个严重的公共卫生问题,每年影响1350万人,导致150-200万人死亡。尤其在新冠疫情期间,出现了耐药性念珠菌感染的增加。

现有诊断方法存在几个主要问题:1)血培养检测时间长,延误治疗;2)生物标志物检测如β-1,3-D-葡聚糖(BDG)的检测时间也长,需要24小时;3)设备成本高,需要严格的实验室条件。

研究内容：

1. 传感器结构设计

• 采用长周期光纤光栅(LPFG)作为传感器的基础结构，利用其对外部折射率变化的敏感性进行检测。
• 在LPFG表面构建了一种复合纳米界面,包括Cu_2-xS纳米颗粒和Cu₂O@Ti₃C₂Tx MXene。
• 将特异性抗体固定在该界面上,用于捕获目标真菌生物标志物。

2. 纳米界面的设计与增强

• Cu_2-xS纳米颗粒具有局域表面等离子共振(LSPR)特性,可以增强LPFG表面的电磁场强度。
• Cu₂O@Ti₃C₂Tx MXene作为支撑材料,有利于分散和稳定Cu_2-xS纳米颗粒。
• 通过调节纳米界面的厚度和折射率,可以调控LPFG的灵敏度,使其更适合检测真菌生物标志物。

3. 传感机理及性能验证

• LPFG的共振波长会随着外部折射率的变化而发生位移。
• 当目标分子结合在传感界面上时,会引起局部折射率变化,从而导致LPFG共振波长发生移动。
• 通过监测LPFG光谱的变化,可以实现对真菌生物标志物浓度的定量检测。
• 在动物模型和临床样本中验证了该传感器的检测性能,包括灵敏度、选择性和稳定性等。

4. 应用优势

• 检测时间仅需30分钟,远快于传统BDG检测方法的24小时。
• 检出限提高3个数量级,达到纳克/毫升级别。
• 体积小巧,可集成到便携式设备中,适合用于点场检测。
• 无需严格的实验室条件,可应用于资源有限的地区。

图1：接口调制LPFG传感器原理图。a)制备的传感器结构示意图。b)具有LPFG、光学装置和相应光谱的换能器。c)生物标志物的分子结构。d)传感器照片。

研究结论：

报道了一种基于商用光纤的接口调制生物传感器，旨在量化POCT早期侵袭性真菌感染的生物标志物。通过表面RI敏感区调节和等离子体增强，该传感器在较宽的浓度范围内(超过5个数量级)对BDG(侵袭性真菌疾病的生物标志物)具有高灵敏度，在PBS溶液中的LOD为1.66 × 10⁻¹² mg mL⁻¹。它可以成功地从动物模型或临床样本的血液或其他组织样本中识别特定病原体的生物标志物，即使这些样本与其他细胞(如宿主巨噬细胞或大肠杆菌)混合。该传感器能够对临床血液样本进行精确定量，并能有效区分阴性和阳性病例，为潜在患者提供及时预警。结果与临床方法具有较高的一致性(r = 0.963)，LOD比临床方法低3个数量级。据知，这是光纤生物传感器第一次应用于临床血液样本的定量评估。

这种方法大大减少了目前真菌感染的检测时间，从24 h缩短到30 min，从而为早期开始抗真菌治疗提供了关键时间。此外，这种传感器技术具有广泛的适用性，仅受抗原特异性纳米体可用性的限制。与现有的临床检测方法相比，这种创新的方法在快速的周转时间、成本效益、用户友好性、更高的灵敏度和增强的便利性方面具有竞争优势。它代表了一种适用于早期POCT的强大诊断工具，有效减轻了偏远和服务不足地区因延误诊断造成的痛苦。

参考文献：Chen, P., Wu, H., Zhao, Y., Zhong, L., Zhang, Y., Zhan, X., . . . Guan, B.-O. (2024). Quantitative Assessment of Fungal Biomarkers in Clinical Samples via an Interface-Modulated Optical Fiber Biosensor. Advanced Materials, 36(21), 2312985.

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312985.