研究背景

肺部真菌感染由曲霉菌、耶氏肺孢子菌、新型隐球菌等真菌引发，每年全球超200万患者受累，免疫低下人群死亡率更是高达80%，及时诊疗可大幅降低病死率。核酸检测是真菌鉴定的核心手段，但真菌细胞壁厚达100-200nm，机械强度高、化学抗性强，临床常用的机械研磨联合化学裂解方法繁琐，需4-6步操作且耗时超1.5小时，无法满足ICU、发热门诊等时间敏感场景的快速检测需求。

电穿孔技术理论上可快速破壁释放核酸，但常规电极难以在低压下形成足够场强实现真菌不可逆电穿孔，高压操作易引发热效应、pH剧变，干扰后续PCR检测。因此，研发低压、超快、高效的真菌裂解技术，成为突破肺部真菌快速诊断瓶颈的关键。

研究内容

中山大学团队提出基于旋转仿麦芒刺状石墨烯微电极柱（WSG）的电解裂解新策略，开展系列研究：

1.WSG柱制备：以聚酰亚胺薄膜为基底，通过激光直写制备刺状结构石墨烯微电极，贴合聚碳酸酯圆柱基底形成WSG柱，电极指长2.5mm、宽200μm，相邻间隙70μm，刺状尖端平均长度20μm。

2.电场仿真优化：借助COMSOL软件模拟不同刺状结构角度的电场分布，明确90°刺状结构可最大化增强局域电场。

3.自动化装置搭建：集成升降、旋转、电压控制与自动化模块，构建旋转WSG柱电解装置，实现样本管旋转、电极升降与电压施加的全自动控制。

4.性能验证与临床测试：通过活/死染色评估裂解效率，结合多重RT-PCR检测真菌核酸，并用45例临床肺泡灌洗液、痰液样本验证方法的准确性与实用性。

图1. 一种利用旋转小麦芒仿生刺状石墨烯微电极（WSG）柱的电解方法，可实现肺部感染中病原真菌的超快速裂解和检测，同时也可作为真菌和细菌等细胞微生物的快速预处理平台。(A) 制备的WSG柱具有仿生结构，(B) 能够在45秒内对真菌等病原体进行超快速电解。结合多重实时PCR扩增，该方法能够同时检测肺部感染中的多种病原真菌。

图2. WSG柱的制备和表征及其电场分布模拟。(A) WSG柱的照片。(B) (i) WSG的照片，(ii) 光学显微镜图像，以及 (iii) 扫描电子显微镜（SEM）图像。(C) 相邻电极的光学显微镜图像 (i)、SEM图像 (ii) 和电场模拟 (iii)，以及从尖突结构边缘不同距离的电场强度 (iv)，当尖突结构与电极边缘的夹角为90°，施加36 V时。(D) 相邻电极的光学显微镜图像 (i)、SEM图像 (ii) 和电场模拟 (iii)，以及从尖突结构边缘不同距离的电场强度 (iv)，当尖突结构与电极边缘的夹角为0°，施加36 V时。

图3. WSG在肺部感染中致病真菌电解及其核酸释放的原理和可行性验证。 (A) WSG用于致病真菌电解及其核酸释放的原理示意图：当真菌通过尖刺电极间的电场时，其跨膜电位超过1.0 V，诱导不可逆电穿孔。真菌在电场力的作用下持续被拉扯直至破裂，释放核酸。 (B) (i) 尖刺电极和非尖刺电极作用下真菌跨膜电位的模拟图。Δφ1表示尖刺电极的跨膜电位，Δφ2表示非尖刺电极的跨膜电位。 (ii) 尖刺电极和非尖刺电极作用下真菌细胞膜从外到内的电位差，如(i)所示。 (C) 由(i) 尖刺电极和(ii) 非尖刺电极裂解的真菌荧光图像，分别用SYTO 9和PI染色及其叠加图。(iii) 通过测量(i)和(ii)中红色和绿色荧光区域的面积，计算尖刺电极和非尖刺电极对真菌的裂解率。

研究结果

1.电场增强效果显著：仿麦芒刺状结构使局域电场强度峰值达20.4kV/cm，是无刺结构的4.5倍，36V低压下即可满足真菌不可逆电穿孔场强阈值（3.3kV/cm）。

2.裂解性能优异：36V低压、1.4rad/s转速、10个旋转周期条件下，45秒内真菌裂解率达97.21%，核酸释放量较临床常规方法提升超1倍，蛋白残留仅0.006mg/mL，核酸纯度高，无PCR抑制风险。

3.检测灵敏度与特异性突出：对曲霉菌、耶氏肺孢子菌、新型隐球菌的检出限均为10³ CFU/mL，多重检测无交叉反应；45例临床样本验证显示，检测灵敏度100%、特异性96.9%，ROC曲线下面积最高达1.000，低浓度样本裂解优势显著。

4.装置稳定可靠：旋转转速波动±0.7%，电压输出波动＜±50mV，重复定位精度高，连续检测无交叉污染，操作稳定性强，RSD＜1%。

图4. 基于旋转WSG柱的真菌核酸检测电解装置的构建、性能优化及应用。(A) 基于旋转WSG柱的电解装置全景图。该电解装置通过软件程序进行控制和操作。(B) 电解装置对真菌进行裂解的过程: (i) 将样品收集于样品管中，并准备微电极柱。(ii) 在将样品管和微电极柱固定在装置中后，启动程序。样品管随旋转平台旋转，同时施加电流以裂解真菌并释放核酸。(C) 当微电极柱用于样品管中的电解时电场有效体积的示意图(i)。样品管横截面的流场模拟 (ii) 以及样品管旋转时真菌随溶液流动方向的示意图 (iii)。(D) 电解装置在不同旋转周期下对真菌的裂解率。(E) 不同旋转周期下电解后释放的核酸的PCR扩增曲线。(F) 不同浓度下电解后释放的Aspergillus (i)、Pneumocystis jirovecii (ii) 和Cryptococcus neoformans (iii) 核酸的PCR扩增曲线。

图5. 通过电解装置结合PCR扩增从45个临床样本中检测致病真菌的核酸，并将检测结果与临床方法进行比较。(A) 我们方法的检测结果 (i) 及与临床检测结果 (ii) 的比较（我们方法的PCR结果以条形图表示；“ ”表示临床方法检测为阳性，“-”表示临床方法检测为阴性）。(B) 我们检测方法在临床样本中对曲霉菌 (i)、肺孢子虫 (ii) 和新型隐球菌 (iii) 的ROC曲线。

技术优势

1.超快高效：裂解仅需 45 秒，全程检测耗时约60分钟，远快于传统超1.5小时的裂解流程。

2.低压安全：36V低压工作，电极表面升温仅1.4℃，溶液 pH 稳定，避免热效应与化学干扰，适配PCR检测。

3.裂解彻底：旋转流场突破电场区域限制，样本中真菌可反复流经高场强区，低浓度样本裂解率仍超90%，降低假阴性风险。

4.自动化便捷：全自动化装置操作简单，仅需1个电源辅助，WSG柱一次性使用，仪器易清洁，适配临床场景。

5.通用性强：不仅适用于肺部致病真菌，对大肠杆菌等细菌裂解率亦超97%，可作为多种细胞微生物的快速前处理平台。

结论与展望

本研究成功开发旋转仿麦芒刺状石墨烯微电极柱电解裂解技术，通过仿生刺状结构增强局域电场、旋转流场提升裂解均匀性，实现36V低压下45秒超快真菌裂解，结合多重PCR完成肺部真菌高灵敏、高特异性检测，临床验证效果优异。该技术阐明真菌电穿孔裂解机制，提供了真菌、细菌等微生物快速前处理新平台，解决临床真菌核酸提取耗时、低效的痛点。

未来，该技术可集成至临床微生物检测平台，与显微镜检、培养法互补使用，尤其适用于难培养、培养周期长的病原体快速检测，为重症感染早期诊断、及时用药提供支撑。后续将通过大规模临床研究进一步验证方法在复杂场景中的稳定性，优化装置小型化、便携化，推动其在床旁检测、基层医疗机构的普及应用，助力提升肺部真菌感染的诊疗效率。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175159