临床痛点：围产期B族链球菌感染的筛查困境

B族链球菌（又称无乳链球菌，GBS）是一种常见的条件致病菌，常定植于人体胃肠道和泌尿生殖道。对于孕妇而言，GBS感染是围产期一个重大的健康威胁，可能导致孕妇产后败血症、乳腺炎，以及新生儿早产、死产、脑膜炎、败血症、肺炎和神经发育障碍等一系列严重并发症。据统计，全球每年因孕妇GBS感染导致约51.8万例早产和9.1万例死产，其相关新生儿疾病的发病率和死亡率已超过呼吸道合胞病毒、百日咳和破伤风的总和。因此，在孕晚期（35-37周）进行GBS筛查，是预防相关感染、保障母婴安全的关键措施。

然而，目前主流的临床检测方法存在明显局限：

细菌培养法：作为“金标准”，虽特异性高，但耗时长达1-2天，可能延误预防性抗生素使用的最佳窗口期。

聚合酶链反应：灵敏度虽优于培养法，但仍需昂贵的PCR仪和专业操作人员，在资源有限地区难以普及，且其灵敏度（约1000拷贝/反应）并不完全可靠。

尽管已有多种等温扩增技术（如LAMP、RPA等）试图摆脱对热循环仪器的依赖，但其检测信号输出（如浊度、单一颜色变化）往往存在背景干扰强、结果判读主观、或仍需专用设备读取等问题。

技术突破：当RPA遇见金纳米棒“调色盘”

面对上述挑战，研究团队巧妙地将重组酶聚合酶扩增（RPA） 的快速、高效特性，与金纳米棒（GNRs） 独特的、可调控的光学性质相结合，设计出一套全新的可视化检测系统。

其核心检测原理如同一场精密的“分子多米诺骨牌”反应：

1.靶标扩增：针对GBS的CAMP因子（cfb）基因，设计特异性引物，利用RPA技术在恒温（37℃）下快速（10分钟）扩增目标核酸序列。RPA产物一端标记有生物素。

2.复合物捕获与信号转化：

将RPA产物与链霉亲和素修饰的磁珠（MBs-SA） 和辣根过氧化物酶标记的链霉亲和素（HRP-SA） 共同孵育。生物素与链霉亲和素的强结合力，使RPA产物被磁珠捕获，同时带上HRP酶标签。

磁分离清洗后，加入显色底物TMB。HRP催化TMB氧化，生成蓝色的氧化型TMB（TMB²⁺）。

3.金纳米棒刻蚀与多色可视化：

这是整个技术的点睛之笔。预先合成的高长径比金纳米棒溶液呈酒红色，其在720 nm处有一个特征吸收峰。

将上述含有TMB²⁺的反应液加入金纳米棒溶液。TMB²⁺作为一种氧化剂，会优先蚀刻金纳米棒两端CTAB保护层较弱的部位，导致纳米棒长度缩短，长径比降低。

这一形貌变化直接引起其局域表面等离子体共振（LSPR）吸收峰发生蓝移，溶液颜色随之发生从初始的粉红色，到紫色，最终变为蓝色的连续、直观的渐变。目标核酸浓度越高，产生的TMB²⁺越多，刻蚀越彻底，颜色越偏蓝。

整个流程在30分钟内即可完成，仅需一个恒温金属浴或水浴锅进行RPA反应，后续步骤均在室温下操作，结果肉眼可辨。

图1. 多色生物传感器示意图，用于在妊娠期间可视化检测B群链球菌（S. agalactiae）。

实验验证：优化、灵敏与特异

为确保检测性能，研究团队对系统关键参数进行了细致优化：

1.RPA产物用量：5 μL为最佳，过多或过少均影响HRP酶量，导致刻蚀效果不佳。

2.磁珠用量：5 μg时捕获与分离效果最优。

3.HRP-SA浓度：100 ng/mL时催化产生的TMB²⁺足以产生最深颜色变化。

4.金纳米棒体积：50 μL时与反应体系匹配，刻蚀颜色对比最明显。

5.反应时间：刻蚀反应在3分钟内即可完成，颜色达到最深且稳定。

在最优条件下，该方法的检测灵敏度达到约1拷贝/μL。通过测试一系列稀释梯度的GBS核酸样本，可以清晰观察到随着目标浓度从10⁹拷贝/μL降至1拷贝/μL，溶液颜色从蓝色、蓝紫色、紫红色到深红色规律性变化，低于0.1拷贝/μL时则与阴性对照（粉红色）无异。这一灵敏度显著高于作为参照的qPCR方法（1000拷贝/反应）。

特异性实验结果显示，该方法对GBS的cfb基因响应强烈，而对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌等其他常见病原菌均无交叉反应，显示出优异的特异性。

图 2. 多色生物传感器的可行性验证。A cfb 基因的 RPA 扩增。B TMB² 蚀刻金纳米棒，使其由长棒变为短棒。C RPA 反应的琼脂糖凝胶电泳验证。D 蚀刻金纳米棒溶液的颜色变化。E 蚀刻金纳米棒特征吸收峰的蓝移。F-G 蚀刻金纳米棒在 TEM 下的形态变化。M：标记；+：阳性；-：阴性。

图3. 多色生物传感器实验参数优化。A RPA产物体积优化。B MBs-SA用量优化。C HRP-SA浓度优化。D GNRs体积优化。P：阳性；N：阴性。

临床样本验证：高准确性与应用潜力

研究的最终价值在于临床实用性。团队收集了12份孕晚期孕妇的阴道拭子临床样本进行盲测。

结果令人振奋：

检测速度：从核酸提取到结果判读，全程仅需约29分钟，相比传统PCR方法节省约1小时。

检测结果：该方法成功检出8份阳性样本和4份阴性样本。

准确性对比：检测结果与传统的细菌培养法完全一致。相比之下，qPCR方法虽特异性为100%，但出现了1例假阴性，其真阳性率为87.5%。

诊断效能：受试者工作特征曲线分析显示，该多色生物传感器的曲线下面积（AUC）为1.0，优于qPCR的0.9375，表明其具有更高的诊断准确性。

图4. 多彩图生物传感器的检测性能。A 灵敏度测试显示检测限为1拷贝/μL。B 特异性测试显示良好的识别能力。

图5. 多色生物传感器的临床评估。A 多色生物传感器用于临床检测链球菌的示意图，整个检测过程用时29分钟完成。B 临床样本检测结果，对12份孕妇阴道拭子临床样本进行了检测。C 检测结果对比表，检测出8例阳性和4例阴性，结果与细菌培养一致；qPCR检测出7例阳性和5例阴性，真阳性率 = 真阳性病例/(真阳性病例 + 假阴性病例) 为87.5%。D 检测结果的ROC曲线图。þ：阳性；-：阴性。

技术优势与意义

与以往基于PCR、LAMP或CRISPR/Cas系统的GBS检测方法相比，本研究所开发的多色生物传感器具有颠覆性优势：

1.无需复杂仪器：彻底摆脱了对热循环仪、荧光检测仪等昂贵精密设备的依赖，仅需恒温装置，极大降低了使用门槛和成本，特别适合基层医疗机构、偏远地区或床边检测。

2.结果肉眼可判：利用金纳米棒刻蚀产生的连续多色变化作为输出信号，不仅避免了单色变化的主观误判，还能通过颜色梯度对靶标浓度进行半定量评估，直观性强。

3.快速高效：30分钟完成检测，为临床决策争取了宝贵时间。

4.高灵敏高特异：1拷贝/μL的检测限满足了早期、低载量感染筛查的需求，且特异性良好。

5.经临床验证：在真实世界样本中展现出与“金标准”相媲美的准确性，可靠性得到证实。

结论与展望

这项研究成功构建了一种基于金纳米棒介导的多色生物传感器，用于妊娠期B族链球菌的快速可视化检测。它将等温扩增的便利性与纳米材料的光学特性完美结合，创造了一种仪器简单、操作快捷、结果直观、准确可靠的全新检测模式。该技术为解决围产期GBS筛查的时效性和可及性难题提供了强有力的工具，有望在未来临床实践中广泛应用，为降低母婴感染相关发病率和死亡率作出重要贡献，具有巨大的临床转化前景和社会价值。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.aca.2025.344855