摘要

幽门螺杆菌是一种广泛存在的细菌，会感染胃部，导致与高发病率和死亡率相关的胃部疾病。目前用于识别和定量这种病原体的方法依赖于侵入性和非侵入性检测手段。尽管结合这些方法可以实现准确诊断，但它们存在诸多不足，且目前尚无单一可靠的金标准检测方法。尽管已开发出涉及分子技术（如数字 PCR）的更敏感的新策略，但这些方法需要复杂且昂贵的仪器。在本研究中，我们实施并验证了一种纳米光子双模波导（BiMW）生物传感器，用于对胃活检和粪便样本中的幽门螺杆菌进行敏感且准确的检测。该生物传感器可提供实时、无标记检测，具有高灵敏度，并且能够集成到紧凑型设备中。通过使用针对幽门螺杆菌特有的膜蛋白的单克隆抗体，该生物传感器能够唯一识别这种细菌，显示出其作为替代诊断工具的潜力。BiMW 生物传感器在不到 20 分钟内提供了高度准确的幽门螺杆菌定量，胃窦胃活检的检测限（LOD）为 89 ± 35 CFU/mL，粪便样本为 82 ± 9 CFU/mL。通过 40 个样本（20 个胃活检和 20 个粪便样本）的临床验证，胃活检的敏感性和特异性为 90%，粪便样本为 95%，其诊断可靠性相当于半定量酶联免疫吸附试验（ELISA），并能更高效、及时地检测幽门螺杆菌感染。这种检测方法可以显著提高诊断速度，并有助于开发更有效的幽门螺杆菌根除策略。

引言

幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）是一种革兰氏阴性致病菌，全球约半数人口曾受其感染。该菌通过慢性炎症、胃黏膜萎缩等病理过程，显著增加胃癌风险。然而，现有诊断方法如尿素呼气试验（UBT）、快速脲酶试验（RUT）及粪便抗原检测（SAT）在低细菌密度（如长期质子泵抑制剂使用或胃黏膜严重病变患者）下灵敏度不足，易导致漏诊。分子检测技术（如qPCR）虽灵敏度高，但依赖复杂设备和专业操作，难以普及。因此，亟需开发一种快速、高灵敏且适用于复杂样本的检测技术。

近年来，基于倏逝波的光学生物传感器因其免标记、实时检测和高灵敏度特性，成为病原体诊断领域的研究热点。本研究基于双模波导干涉仪（BIMW）技术，结合靶向幽门螺杆菌膜蛋白的单克隆抗体，构建了一种新型生物传感器，旨在解决低密度感染的临床诊断难题。

结果与讨论

生物传感器检测性能评估

在缓冲液条件下，使用两种不同单克隆抗体（抗 Fla 和抗 HopQ）对 BiMW 生物传感器进行校准实验。结果显示，两种抗体均能实现对幽门螺杆菌的浓度依赖性识别，且在校准曲线的低浓度范围内存在线性关系。抗 Fla 抗体的检测限（LOD）为 4 CFU/mL，抗 HopQ 抗体为 29 CFU/mL，两种抗体组合使用时为 34 CFU/mL。抗 Fla 抗体因其对目标细菌的亲和力更高，展现出更好的灵敏度，因此后续实验主要使用该抗体。

生物传感器在复杂生物样本中的应用

为了评估 BiMW 生物传感器在实际临床样本中的性能，研究人员测试了其在胃黏膜活检和粪便样本中的检测效果。实验发现，尽管生物样本的复杂性会引入一定的基质效应，如非特异性结合和干扰物质，但通过优化样本稀释倍数、添加吐温 - 20 以及在生物传感器芯片表面添加牛血清白蛋白（BSA）进行阻断，可有效降低非特异性干扰。在优化条件下，胃黏膜活检样本的检测限为 89 ± 35 CFU/mL（胃窦）和 237 ± 36 CFU/mL（胃体），粪便样本的检测限为 82 ± 9 CFU/mL，与缓冲液条件下的检测限接近，且显著优于其他常规检测方法。

临床样本验证

研究人员对 40 份临床样本（20 份胃黏膜活检和 20 份粪便样本）进行了检测。结果显示，BiMW 生物传感器能有效区分幽门螺杆菌阳性和阴性样本，胃黏膜活检的敏感性和特异性均为 90%，粪便样本则达到了 95%。通过接收者操作特征（ROC）曲线分析，胃黏膜活检样本的曲线下面积（AUC）为 0.9550，粪便样本的 AUC 高达 0.9925，表明该生物传感器具有出色的诊断能力。此外，该生物传感器的检测结果与两种不同的 ELISA 方法具有显著的相关性（斯皮尔曼相关系数分别为 0.8120 和 0.8552，p 值均 <0.001），进一步验证了其检测结果的可靠性。

图片展示

图 1 BIMW生物传感器结构及工作原理。展示了纳米光子双模波导（BiMW）生物传感器芯片的核心结构，包括双模干涉区域和抗体固定位置。当幽门螺杆菌与抗体结合时，会引起波导表面折射率变化，进而产生可检测的光信号变化，实现对细菌的无标记检测。

图 2 实时信号与校准曲线。显示了 BiMW 生物传感器对不同浓度幽门螺杆菌样本的检测信号响应。随着幽门螺杆菌浓度的增加，检测信号呈线性增长趋势，表明该生物传感器具有良好的线性检测范围和灵敏度，能够准确量化样本中的幽门螺杆菌数量。

图 3 样本基质效应优化。呈现了 BiMW 生物传感器对临床样本检测结果的 ROC 曲线分析。胃黏膜活检样本的 AUC 为 0.9550，敏感性和特异性均为 90%；粪便样本的 AUC 高达 0.9925，敏感性和特异性均为 95%。这表明 BiMW 生物传感器在临床诊断中具有优异的准确性和可靠性，可有效区分幽门螺杆菌感染的阳性和阴性样本。 

图4. 临床样本诊断效能

结论与展望

纳米光子双模波导（BiMW）生物传感器在幽门螺杆菌检测领域展现出巨大的应用潜力。其通过结合单克隆抗体的特异性识别和纳米光子技术的高灵敏度检测优势，实现了对胃黏膜活检和粪便样本中幽门螺杆菌的快速、无标记、超灵敏检测。临床样本验证结果证实了该生物传感器在诊断准确性和可靠性方面可与传统的半定量 ELISA 测试相媲美，同时大幅缩短了检测时间，为临床医生提供了更及时的诊断信息，有助于改善患者的治疗效果和预后。

然而，尽管 BiMW 生物传感器在本研究中表现出色，但仍需在更广泛的患者群体和更复杂的临床场景中进一步验证和优化。未来，随着技术的不断发展和完善，这种纳米光子生物传感器有望成为幽门螺杆菌感染诊断的首选方法之一，为全球幽门螺杆菌相关疾病的防控和治疗提供有力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117459