基于核酸適體的電化學生物傳感研究

李詩琪，駱怡琳，萬建文，胡 瓊*，韓冬雪*，牛 利，2

（1.廣州大學 化學化工學院，廣州大學分析科學技術研究中心&廣州市傳感材料與器件重點實驗室&廣東省光電傳感材料與器件工程技術研究中心，廣東 廣州 510006；2.中山大學 化學工程與技術學院，廣東 珠海 519082）

作為構成生命的最基本物質，核酸（包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA））不僅是遺傳信息儲存和傳遞的主要載體，而且在基因表達調控、細胞分化調控、細胞周期調控等眾多生命活動過程中發揮著重要作用。單鏈核酸分子不僅可以遵從Watson-Crick 堿基互補配對原則（A-T/U 與G-C）與互補序列以及肽核酸（PNA）、鎖核酸（LNA）、嗎啉代寡核苷酸（PMO）等核酸類似物片段形成穩定的雙螺旋結構，也可同時經由Hoogsteen氫鍵及反向Hoogsteen氫鍵與雙鏈DNA結合形成三鏈DNA結構［1］。此外，單鏈核酸分子也可通過折疊成特定的三級結構與各種非核酸類物質發生高特異性、高親和力結合，此類功能核酸被稱為核酸適體（Aptamer）［2］。核酸適體是一類由20~100個堿基組成的寡核苷酸片段，通常經由基于指數富集的配體系統進化（SELEX）技術從核酸文庫中體外篩選獲得（如圖1 所示）［3-4］，它們可以通過氫鍵作用、靜電作用、疏水效應、范德華力等分子間非共價相互作用與各種小分子化合物［5-6］、蛋白質［7-8］、外泌體［9-10］、循環腫瘤細胞（CTCs）［11-12］、細菌［13-14］以及病毒［15-16］等靶標特異性結合。由于核酸適體不僅具有與抗體相當甚至更高的特異性與親和力，且具有一經篩選獲得即可大批量人工合成，且具有價格低廉、易于修飾、免疫原性低、批間差異小、熱穩定性好等優良特性［2］，在分析化學［17-18］、疾病治療［19-20］以及生物醫學研究［21］等領域獲得了廣泛的關注。

在分析化學領域，目前已經探索建立了眾多的以核酸適體作為特異性識別元件的生物分析方法，如比色分析［22］、熒光分析［23-24］、共振光散射（RLS）［25］、石英晶體微天平（QCM）［26］、表面等離子體共振（SPR）［27］、納米孔［28］、懸梁臂［29］、光電化學法（PEC）［30-31］、化學發光法［32］、電化學發光法（ECL）［33-34］、表面增強拉曼散射法（SERS）［35-36］以及電化學生物傳感器［37-40］等。其中，電化學適體傳感器由于具有抗干擾能力強、設備簡單、易于小型化、檢測成本低廉、靈敏度高、便攜性好等優勢［41-42］，獲得了較多的關注。本文在此結合最新研究進展及本課題組的相關研究工作，對電化學適體傳感器在小分子化合物［43-44］、蛋白質［45-46］、外泌體［47-48］、CTCs［49-50］以及病原微生物（如細菌和病毒等）［51-52］等生物靶標檢測中進行了系統的歸納與總結，著重介紹了相關電化學適體傳感器的檢測原理、分析特性以及所應用的信號放大策略，并進一步探討了電化學適體傳感器實際應用所面臨的諸多挑戰與潛在的發展趨勢。

1 基于核酸適體的電化學生物傳感研究

1.1 在小分子化合物檢測中的應用

氨基酸、腺苷三磷酸（ATP）、多巴胺、腎上腺素、雌激素（如雌二醇等）、抗生素（如青霉素等）、有機殺蟲劑（如滴滴涕等）和除草劑（如百草枯等）、三硝基甲苯（TNT）、黃曲霉毒素等小分子化合物的檢測，對于臨床診斷、生物醫學研究、食品/藥品/公共安全、環境監測等領域至關重要。由于小分子化合物與固定化核酸適體的結合會阻礙電極表面的電荷轉移（核酸適體與靶標結合時會發生折疊，此構象變化加之靶標自身均會使得電極表面的空間位阻增大），研究人員構建了一類免標記的電化學適體傳感器，用于小分子化合物的定量分析［53］。例如，Shahdost-Fard 等［54］和Zhong 等［55］以核酸適體作為固定化分子識別元件，分別以蘆丁或［Fe（CN）6］3-/4-作為氧化還原探針，通過測量靶標與核酸適體結合前后的阻抗或電流信號的變化，分別實現了對TNT 和黃曲霉毒素B1（AFB1）的高選擇性電化學檢測，檢測下限分別為0.33 fmol/L 和1.82 pg/mL。此類方法盡管操作簡便且成本低廉，但電極表面的非特異性吸附易導致產生假陽性結果。為克服上述缺陷，研究人員以遠端修飾有二茂鐵（Fc）或亞甲基藍（MB）等電活性探針的核酸適體作為固定化分子識別元件（核酸適體在與靶標結合的過程中會發生顯著的構象變化，使得修飾在其遠端的電活性探針與電極表面的距離發生變化，進而導致氧化還原電流大小發生改變［56］），實現了對ATP［57］、茶堿［58］、可卡因［59］、苯丙氨酸［60］和萬古霉素［61］等小分子化合物的高選擇性電化學檢測。此類電化學適體傳感器盡管操作簡便、成本低廉且可多次重復使用，但檢測靈敏度仍有待進一步提高。為此，研究人員提出借助于使用納米材料［62］、酶促反應［63］以及催化發卡組裝（CHA）［64］等策略對檢測信號進行放大［65］。例如Cui等［66］以核酸適體作為特異性分子識別元件，借助于核酸外切酶I（Exo I）輔助的目標循環信號放大作用，實現對AFB1的高靈敏電化學檢測，檢測下限為0.032 pg/mL。

1.2 在蛋白質檢測中的應用

蛋白質是生命活動的最主要載體，不僅參與細胞骨架形成（如肌動蛋白和微管蛋白等），而且在細胞新陳代謝、細胞黏附、免疫響應、細胞信號傳導、物質傳輸、細胞周期調控等絕大多數生命活動過程中發揮著不可或缺的作用。由于蛋白質表達水平異常與惡性腫瘤、糖尿病、心腦血管疾病、炎癥等眾多病理過程密切相關，因此其作為生物標志物已被廣泛用于疾病的篩查與診斷。

圍繞蛋白質的電化學適體傳感，研究人員已經開展了大量的工作。例如，Liao 等［67］、Li 等［68］和Sypabekova 等［69］構建了一類阻抗型電化學適體傳感器，分別實現對血小板衍生生長因子BB（PDGFBB）、凝血酶和結核分枝桿菌分泌蛋白（MPT64）的高選擇性檢測，檢測下限分別為40 nmol/L、0.03 nmol/L 和81 pmol/L。以末端修飾有Fc 或MB 等電活性探針的核酸適體作為固定化分子識別元件，Xiao等［70］、Lai 等［71］和Lo 等［72］構建了一類伏安型電化學適體傳感器，分別實現了對凝血酶、PDGF-BB 和惡性瘧原蟲富組氨酸蛋白II（PfHRP2）的高選擇性檢測，檢測下限分別為6.4 nmol/L、1.25 ng/mL 和3.73 nmol/L。為進一步提高電化學適體傳感器的檢測靈敏度，研究人員提出借助于使用辣根過氧化物酶（HRP）等天然酶［73］、金屬卟啉等仿生催化劑［74］、金屬有機框架（MOFs）材料［75］、CRISPR-Cas 體系［76］、金屬納米粒子［77］以及聚合物材料［78］對檢測信號進行放大。例如，Zhao 等［79］以核酸適體作為固定化分子識別元件，待其與凝血酶結合后，進一步利用核酸適體與凝血酶的親和相互作用將表面負載有大量HRP 分子的金納米粒子（AuNPs）引入電極表面，借助于HRP 的高效生物催化作用，實現對凝血酶的高靈敏電化學檢測，檢測下限為30 fmol/L。Kim 等［78］以核酸適體作為固定化分子識別元件，待其與凝血酶結合后，進一步利用核酸適體與凝血酶的親和相互作用將攜帶有十余個吩嗪分子的聚合物鏈引入電極表面，借助于吩嗪對還原型輔酶I（NADH）的電催化活性，實現了對凝血酶的高靈敏電化學檢測，檢測下限約為50 pmol/L（檢測原理如圖2A 所示）。上述策略雖然都能顯著提高電化學適體傳感器的檢測靈敏度，但存在操作復雜、成本高昂、穩定性差等不足［80］。

圖2 基于多個吩嗪分子電催化信號放大的凝血酶高靈敏電化學適體傳感研究［78］（A）；基于靶標自身聚糖鏈信號放大的CA15-3高靈敏比率型電化學適體傳感研究［84］（B）；基于靶標自身聚糖鏈協同BMRP信號放大的凝血酶高靈敏電化學適體傳感研究［88］（C）Fig.2 Highly sensitive electrochemical aptasensing of thrombin through the electrocatalysis of polyphenazines［78］（A）； Highly sensitive ratiometric electrochemical aptasensing of CA15-3 via signal amplification of the target’s glycan chains［84］（B）； Targetsynergized biologically mediated RAFT polymerization（BMRP） for amplified electrochemical aptasensing of thrombin［88］（C）

大量研究表明，由于酶促糖基化等翻譯后修飾（PTM），生物體內的蛋白質幾乎均以糖蛋白的形式存在（即多肽鏈的特定氨基酸殘基上攜帶有聚糖鏈），如凝集素、運載蛋白、細胞表面受體蛋白（如G蛋白偶聯受體等）、纖/層粘連蛋白、絕大多數血漿蛋白（如免疫球蛋白、補體、促甲狀腺素、人絨毛膜促性腺激素（HCG）、蛋白酶類、某些干擾素和生長因子等）、甲胎蛋白（AFP）和癌胚抗原（CEA）等腫瘤標志物、膠原蛋白等。由于聚糖鏈通常由十余個甚至數十個單糖殘基組成且單糖殘基上的順式1，2-和1，3-二醇位點可與（苯）硼酸基團發生共價交聯反應［81-82］，因此借助于硼酸鹽親和交聯反應可在糖蛋白上標記大量的信號探針，使其在未采用額外信號放大策略的情況下仍可實現對相關靶標的高靈敏檢測。受此啟發，我們以核酸適體作為固定化分子識別元件，通過將大量電活性Fc探針直接位點靶向性地標記到AFP 的聚糖鏈上（Fc 探針上偶聯有苯硼酸（PBA）基團），實現了其高靈敏電化學檢測，檢測下限為0.037 ng/mL［83］。為提高電化學適體傳感器的抗干擾性能與檢測結果的可重現性，我們進一步以近端修飾有電活性MB 探針的核酸適體作為固定化分子識別元件，通過將大量Fc 探針標記到相關靶標的聚糖鏈上，先后實現了對糖類抗原CA15-3（檢測原理如圖2B 所示）［84］和治療性單克隆抗體貝伐珠單抗［85］的高靈敏比率型電化學檢測，檢測下限分別為0.021 U/mL 和6.5 ng/mL。由于無需采用額外的信號放大策略即可實現對靶糖蛋白的高靈敏檢測，上述電化學適體傳感器具有操作簡便、成本低廉、檢測時間短等優良特性，非常適用于即時檢驗（POCT）等領域。為進一步提高電化學適體傳感器的檢測靈敏度，本課題組進一步借助于電化學調控的原子轉移自由基聚合（eATRP）或生物學介導的可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合（BMRP）在相關生物靶標的聚糖鏈上從頭接枝含有大量Fc 探針的聚合物鏈（以甲基丙烯酸二茂鐵基甲酯（FcMMA）作為單體），分別實現了對AFP［86］、CEA［87］和凝血酶（檢測原理如圖2C 所示）［88］的高靈敏檢測，檢測下限分別為0.32 pg/mL、0.34 pg/mL和35.3 fmol/L。由于外泌體、CTCs、細菌、病毒等生物靶標上均攜帶大量的聚糖鏈，基于靶標自身聚糖鏈信號放大的電化學適體傳感器在相關生物靶標的簡便、快速、低成本、高靈敏、高選擇性檢測方面具有相當廣闊的應用前景。

1.3 在外泌體檢測中的應用

外泌體是細胞分泌的直徑為30~150 nm 的微型囊泡，廣泛存在于尿液、唾液、血液、淋巴液、脊髓液、乳汁、精液、腹水、羊水等生物體液中，在細胞間物質交換、抗原提呈、免疫應答、細胞分化/增殖/凋亡、腫瘤侵襲與轉移、細胞信號傳遞等方面發揮著重要作用［89］。由于攜帶有大量源自母體細胞的蛋白質、脂質和核酸（如mRNAs 和miRNAs）等生物活性組分，外泌體在癌癥、心腦血管疾病、神經系統疾病、免疫相關疾病等方面的診斷具有重大應用價值［90-91］。

圍繞外泌體的電化學適體傳感，現有方法通常是借助于核酸適體對外泌體表面特定蛋白質組分的特異性識別來實現［92-93］。例如，Wang 等［94］構建了一種伏安型電化學適體傳感器并實現了對肝癌細胞（HepG2）外泌體的快速定量分析，檢測下限為2.09×104個/mL。為實現對外泌體的高靈敏電化學檢測，研究人員提出借助于使用酶催化反應或納米材料對檢測信號進行放大［95-96］。例如，Kashefi-Kheyrabadi等［97］借助于核酸適體與外泌體表面的上皮細胞粘附分子（EpCAM）間的特異性識別將外泌體捕獲到電極表面，并進一步借助于核酸適體與EpCAM 蛋白間的特異性識別引入銀納米粒子（AgNPs），通過對AgNPs進行溶出分析，實現了外泌體的高靈敏電化學檢測，檢測下限為17個/μL。類似地，Cheng等［98］構建了一種“夾心型”電化學適體傳感器，通過將表面負載有大量電活性MB 探針的AuNPs 引入電極表面，實現對MCF-7細胞外泌體的高靈敏檢測，檢測下限為158個/μL（檢測原理如圖3所示）。由于上述方法主要通過單一核酸適體對外泌體表面單一蛋白組分的特異性識別與捕獲實現，均存在選擇性差、易產生假陽性結果等缺陷。具體來說，當某些蛋白質分子（如CD9 和CD63 等跨膜蛋白、EpCAM 蛋白等）同時存在于多種外泌體表面時，電化學適體傳感器則無法有效區分是何種外泌體；此外，當樣品中僅存在所識別的蛋白質分子時，也會導致產生相應的電化學檢測信號（如EpCAM 蛋白和表面攜帶有EpCAM 蛋白的外泌體與核酸適體的結合均會引起阻抗信號發生變化）。為克服上述缺陷，可通過同時使用多種核酸適體的策略對外泌體進行檢測［99］。例如，以某種核酸適體作為固定化分子識別元件對外泌體表面的某種蛋白質分子進行識別與捕獲，然后通過第二種核酸適體對外泌體表面另一種蛋白質分子的特異性識別將電活性探針引入電極表面，即可顯著提升對外泌體檢測的選擇性。

圖3 基于AuNPs信號放大的外泌體高靈敏電化學適體傳感研究［98］Fig.3 Highly sensitive electrochemical aptasensing of exosomes based on clover-like gold nanoclusters［98］

1.4 在循環腫瘤細胞檢測中的應用

循環腫瘤細胞（CTCs）是指存在于外周血中的各類腫瘤細胞，在腫瘤的早期篩查與診斷、個體化治療、預后判斷以及療效評估等方面具有重要價值［100-101］。類似于外泌體，CTCs 表面也存在大量的蛋白質分子（如各種跨膜蛋白）；因此，可借助于核酸適體對CTCs表面特定蛋白質分子的特異性識別，對靶CTCs進行電化學檢測［102-105］。例如，Shen等［106］構建了一種阻抗型電化學適體傳感器，其對CTCs的檢測下限為10 個/mL；在該方法中，研究人員將EpCAM 蛋白的核酸適體通過DNA 雜交反應固定在電極表面，待其與靶CTCs結合后，借助于電化學阻抗譜（EIS）對靶CTCs的濃度進行定量分析。類似地，Yang等［107］以EpCAM核酸適體作為固定化分子識別元件，待其與靶CTCs結合后，借助于EpCAM蛋白與其抗體的特異性識別作用將表面負載有大量HRP分子的AuNPs引入電極表面，借助于HRP的高效生物催化作用，實現了CTCs 的高靈敏電化學檢測，檢測下限為25 個/mL（檢測原理如圖4 所示）。此外，Hashkavayi 等［108］利用膽固醇分子與磷脂雙分子層間的疏水相互作用將一段寡核苷酸片段標記到被EpCAM 核酸適體捕獲的CTCs 上，然后通過滾環擴增（RCA）反應產生含有多個G-四鏈體結構的串聯重復序列，借助于G-四鏈體與血紅素（Hemin）結合形成的復合物的類HRP 催化活性，實現對CTCs 的高靈敏電化學檢測，檢測下限為1個/mL。然而，類似于外泌體的電化學適體傳感，由于針對單一蛋白分子的識別方式無法實現其特異性識別與捕獲，CTCs的高選擇性檢測需要同時使用多種核酸適體對其表面不同蛋白質分子進行協同識別。

圖4 基于HRP生物催化信號放大的CTCs高靈敏電化學適體傳感研究［107］Fig.4 HRP-amplified electrochemical aptasensing of CTCs［107］

1.5 在病原微生物檢測中的應用

病原微生物（也稱病原體）是指可侵犯人體并引起感染乃至傳染病的微生物，包括細菌、病毒、朊毒體、真菌、螺旋體、支原體、衣原體、立克次體等。病原微生物（如霍亂弧菌、天花病毒、埃博拉病毒、新型冠狀病毒、HIV病毒等）嚴重威脅著人類的生命健康，它們的大規模爆發會對社會和經濟生活造成嚴重的影響。例如，新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）自2019年底爆發至今，已造成全球1 400多萬人死亡；衣原體感染可引起人類和動物的尿道感染、胃腸炎、子宮感染、早產、流產、肺炎、腦脊髓炎、支氣管炎、關節炎和結膜炎等多種疾病。顯然，病原微生物的檢測對于疾病篩查/防控、食品/藥品/飲水安全、環境監測等領域意義重大［109-110］。

由于核酸適體相較于抗體具有成本低廉、批間差異小、穩定性好、可人工合成且易于修飾等優勢，在病原微生物的高選擇性檢測中獲得了廣泛關注［111-114］。例如，Zelada-Guilln 等［115］和Ding等［116］借助于病原微生物與固定化核酸適體結合所引起的電位變化，構建了一類電位型電化學適體傳感器，分別實現了對傷寒沙門氏菌和李斯特菌的快速檢測，檢測下限分別為0.2 CFU/mL 和10 CFU/mL。Labib 等［117］、Bai等［118］和Zhang等［119］構建了一類阻抗型電化學適體傳感器，分別實現了對鼠傷寒沙門氏菌、H1N1 病毒和SARS-CoV-2 病毒（檢測原理如圖5 所示）的快速檢測，檢測下限分別為600 CFU/mL、0.9 pg/μL 和1 000 個/mL。為實現對病原微生物的高靈敏電化學檢測，Abbaspour等提出以核酸適體作為固定化分子識別元件，待其與靶標結合后進一步借助于核酸適體與靶標的特異性識別將AgNPs 引入電極表面，通過對AgNPs 進行溶出分析，實現對金黃色葡萄球菌的高靈敏電化學檢測，檢測下限為1.0 CFU/mL［120］。類似地，Nguyen等［121］通過核酸適體對靶標的特異性識別將HRP分子標記到被核酸適體捕獲的金黃色葡萄球菌上，借助于HRP的高效生物催化作用，實現了對金黃色葡萄球菌的高靈敏電化學檢測，檢測下限為39 CFU/mL。

圖5 SARS-CoV-2病毒的阻抗型電化學適體傳感研究［119］Fig.5 Impedance-based electrochemical aptasensing of SARSCoV-2 virus［119］

2 總結與展望

本文系統歸納總結了電化學適體傳感器在小分子化合物、蛋白質、外泌體、CTCs以及病原微生物等生物靶標檢測中的研究進展。由于電化學適體傳感器相較于酶聯免疫吸附分析（ELISA）等傳統檢測方法具有操作簡便、成本低廉、穩定性好等優勢，在臨床診斷、生物醫學研究、食品/藥品/公共安全、環境監測等領域展現出巨大的應用前景。

然而，電化學適體傳感器的相關研究目前尚處于實驗室初步概念驗證階段，其商業化應用仍面臨著長期的巨大挑戰。在血清等實際樣品中，特定生物靶標的含量可能處于極低的水平，且樣品中通常存在大量干擾性組分。這些特點必然要求相關檢測方法能同時具有靈敏度高、選擇性好、可靠性高等特性；此外，POCT等實際應用場景還要求檢測方法能同時具有便攜性好、操作簡便、成本低廉、穩定性好、重現性好等優良特性。然而，想讓電化學適體傳感器同時滿足這些性能指標無疑是一個極大的挑戰。此外，由于核酸適體在分子量上相較于抗體小很多，其結構穩定性通常不理想，使得核酸適體與靶標的結合對環境因素變化相當敏感。盡管阻抗型和電位型電化學適體傳感器具有操作簡便、成本低廉、選擇性好等優良特性，但其檢測靈敏度通常不理想，且電極表面的非特異性吸附會產生假陽性結果；此外，雖然使用納米材料（如MOFs 等孔狀材料、金屬納米粒子、石墨烯等碳納米材料等）和催化反應（如使用HRP等天然酶、金屬卟啉等模擬酶、含過渡金屬元素的電催化劑等）等策略均能顯著提高電化學適體傳感器的檢測靈敏度，但也存在操作復雜、穩定性差、檢測成本高昂等不足。由于糖蛋白、內毒素、外泌體、CTCs、細菌、病毒等生物靶標上均攜帶一定數量的聚糖鏈且聚糖鏈上通常存在著大量的諸如鄰位羥基等功能基團的活性位點，如果能充分利用靶標自身所攜帶的聚糖鏈進行信號放大，將顯著提升電化學適體傳感器的簡便性并大幅降低檢測成本［122］。然而，與其他種類生物傳感器一樣，電化學適體傳感器的實際應用面臨的最大挑戰是穩定性和重現性通常都不理想，無法給出準確可靠的檢測結果。因此，顯著提升傳感界面的穩定性和檢測結果的重現性是實現電化學適體傳感器商業化應用亟待解決的難題。由于檢測樣本來源復雜（如既有肉類、蛋類、土壤、奶粉等硬樣本，也有體液、牛奶、礦泉水、飲料、注射液、污水等液體樣本），微流控等樣品前處理技術的結合將能顯著提升電化學適體傳感器的實用性。

未來，隨著與移動電子設備、物聯網（IoT）、無線通信技術（如藍牙、WI-FI、星閃等）、大數據、人工智能等的深度融合，電化學適體傳感器將持續朝微型化、自動化、數字化、高通量、可植入式等方向發展。當然，這些都迫切需要化學、物理學、生物學、醫學、材料科學、電氣工程等諸多領域的跨學科研究人員共同創新，切實推動電化學適體傳感器從實驗室向商業應用過渡。