研究背景

外泌体是源自各种细胞的纳米级囊泡，通常携带有关其亲本细胞生理和病理状态的指示性信息，有望成为早期癌症诊断的理想和可靠的生物标志物候选者。然而，外泌体存在于复杂体液（例如血液、尿液和唾液）中的丰度极低，在生物分子的高背景干扰下检测极少数具有高灵敏度的外泌体颗粒仍然是一个重大挑战（。尽管已经开发了一些分析方法，例如蛋白质印迹 （WB）、流式细胞术 （FC）和酶联免疫吸附测定 （ELISA），但它们仍然存在实验程序复杂、样品消耗量大、过程耗时和低等局限性敏感性。因此，开发简单、快速和灵敏的方法来准确检测复杂血液中微量的癌症来源的外泌体仍然非常需要。

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种强大的分析工具，可显着增强吸附在等离子体纳米结构上的分子的拉曼散射，这被誉为一种高灵敏度光学方法，甚至可以从单个分子获取微弱的生物信息。如何根据SERS机制设计传感策略对于进一步提高检测灵敏度具有重要意义，同时也难以构建高性能的外泌体SERS传感。杂交链式反应（HCR）是无酶、稳健且高效的，其中靶标触发两个发夹 DNA 形成具有数十至数百个重复单元的线性串联体。在之前的工作中，宋教授团队设计了一种支链杂交链反应（bHCR），显示出更高的灵敏度和扩增增益。因此，根据外泌体靶标的生物学特征和SERS机制设计特殊的bHCR策略有望实现高灵敏度检测。本研究提出了一种由支链杂交链式反应（bHCR）和基于四面体DNA的三价适配体（triApt-TDN）驱动的超高灵敏度SERS传感器，用于癌症来源的外泌体的准确SERS检测。

研究原理

图1 由分支杂交链反应（bHCR）和基于四面体DNA的三价适体提供动力的Sers传感器的示意图

首先，通过将MUC1特异性适配体偶联到四面体DNA上组装triApt-TDNs（图1 a），然后固定在银纳米棒（AgNRs）阵列表面，形成SERS活性传感芯片（图1 b）。此外，通过用拉曼分子和硫醇修饰的ssDNA固定化AuNPs表面来制备SERS标签，这些ssDNA可以与发夹DNA H1杂交。在外泌体检测过程中，triApt-TDNs特异性捕获外泌体，然后通过与外泌体结合的触发适体（tgApts）触发3个发夹DNA（H1、H2和H3）进行bHCR，从而将SERS标签组装成AuNP网络结构，在AgNRs阵列上产生丰富的SERS热点。

研究结果

1. 灵敏度及线性范围

- LOD=0.39 particles/μL：2μL样本可检单个外泌体（图2d） 

- 线性范围：1.44~1.44×10⁴ particles/μL（跨越4个数量级） 

- 校准方程：I₁₀₇₄ = 870×LgC + 551 (R²=0.986) 

图2 传感器的检测性能

2. 特异性验证 

- 靶标区分：SGC-7901外泌体信号 vs HepG2/GES-1高8.3倍（P<0.0001） 

- 抗干扰性：50%人血清中回收率93.18~105.3%（RSD<8.29%） 

3. 临床样本检测 

- 胃癌vs健康人：15例患者SERS信号显著高于5例对照（P<0.0001） 

- 诊断效能：ROC曲线AUC=0.987（图3b），灵敏度95.2%，特异性92.8% 

图3 临床样本检验

4. 效果比对

宋教授团队构建的基于bHCR的SERS传感器，相比于传统方法，在检出限、样本量、检测时间等方面均有诸多优势（表1）。

表1 本研究的检测方法与传统方法的比对

总结与展望

该研究通过仿生核酸结构设计（triApt-TDN）与级联信号放大（bHCR）的创新融合，首次实现单颗粒级外泌体检测，为癌症早诊提供了可标准化推广的技术平台。未来结合微流控与多组学分析，有望推动液体活检进入"单外泌体诊断"时代。后续可以基于此原理，拓展MUC1以外的靶标，并且集成微流控技术，实现全自动检测。虽然这项研究取得了较好的成果，但是面对血浆基质差异，对外泌体的捕获效率会有所影响，后续应当对这部分内容进一步优化，提高检测效率；此外，适体合成占据了检测成本的62%，后续仍应进一步控制成本，为其应用提供助力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116737