多巴胺(DA)是一种重要的内源性单胺神经递质，在细胞功能调节方面发挥着重要作用。近期研究表明，DA与免疫及癌变等生理病理过程密切相关，神经系统疾病和肿瘤可引起脑或肿瘤组织中DA的异常表达。DA通过外泌过程从细胞内释放到细胞外，DA分子被包裹在外泌体囊泡内。目前，研究者发展了多种检测外泌体及其内容物的分析方法，如质谱法、微流体法、酶联免疫吸附法(ELISA)、表面增强拉曼散射法(SERS)、免疫分析法等。然而，大部分已有方法所需样本量大且操作复杂，检测灵敏度有待提高。因此，亟需开发高灵敏、易操作、鲁棒性高的分析传感策略，用于监测单个外泌体中DA含量。近年来，基于超微纳米电极的电化学传感方法引起了广泛关注，具有灵敏度高、生物相容性好、导电性能高等优点，为细胞功能分子的痕量分析提供了有力工具。
近期，华东理工大学钱若灿副教授课题组报道了一种基于超微玻璃管纳米电极的电化学传感方法，可以同时测量单个外泌体囊泡的阻断信号，并对其携带的多巴胺含量进行定量分析。相关成果以“Amperometric Identification of Single Exosomes and Their Dopamine Contents Secreted by Living Cells”为题发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上（DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01253）。
如图一所示，这项工作通过在玻璃纳米管电极尖端的内壁喷涂金纳米颗粒，制备了金膜沉积的纳米电极，在恒定电位下，整个金膜区域形成等电位。上述纳米电极可被用于监测单个外泌体囊泡的过孔信号，并通过测量电流-时间曲线检测单个外泌体中的DA含量（）。不同细胞系(HeLa细胞和PC12细胞)的外泌体被注入纳米电极尖端，通过恒电压驱动。当外泌体通过纳米电极的尖端开孔时，可以观察到阻断峰。外泌体与金膜表面接触破裂后，单个外泌体中释放的DA分子瞬间释放，产生氧化还原信号。因此，单个外泌体过孔事件可通过增强的阻断信号观察到，而单个外泌体中的DA含量可由氧化还原引起的电流峰计算获得（如图一所示）。此外，文章还构建了一种自定义机器学习模型，可对不同来源的外泌体信号进行分类，准确率超过99 %。
图一示例：
图1. 单个外泌体及其多巴胺含量的鉴定
如图二、三所示，文章比较了不同处理方式下的DA在HeLa细胞来源外泌体中的负载量。第一种方式是提取外泌体并与外源DA混合。第二种方式是在HeLa细胞中加入外源DA并孵育，然后提取外泌体进行检测。结果表明，第二种方法获得的外泌体中DA含量较高。此外，研究者还检测了PC12细胞分泌的外泌体在L-DOPA处理前后的DA含量，结果表明，经L-DOPA处理后，氧化还原峰出现的频率和峰电流幅值显著增加。
图2. 不同处理方式下的DA在HeLa细胞来源外泌体中的负载量比较
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图3. PC12细胞外泌体在L-DOPA处理后的内源性DA含量
尽管从电流-时间曲线上可以观察到不同来源外泌体电化学信号的差异，但仅依靠肉眼难以准确识别它们的来源。因此，研究者引入机器学习算法XGBoost，通过选择电化学信号的四种特征，包括持续时间、积分面积、高度和半峰宽，构建了训练数据集，整个数据集包含503个数据点。经过训练，该模型的准确率高达99 %以上，预测结果以混淆矩阵的形式显示 （如图四所示）。结果表明，机器学习算法能够精确识别不同来源的外泌体。
图4. 机器学习策略用于区分不同来源的外泌体
总结来说，该工作设计了一种基于金膜沉积的玻璃管纳米电极传感策略，检测单个外泌体及其负载的DA含量。从电阻脉冲电流中观察到外泌体的单个阻断峰和DA的电化学氧化还原峰。基于该策略，研究者成功地区分了不同来源的含DA的外泌体。结果表明，不同细胞的DA负载效率和外泌体分泌量存在差异，这主要体现在外泌体过孔频率和DA含量上。此外，通过XGBoost机器学习算法，可实现不同来源外泌体的精确鉴定，准确率超过99 %。综上所述，该方法有望为电化学生物传感器的设计提供新思路。文章的第一作者是华东理工大学博士后吕键，通讯作者是钱若灿副教授。
参考文献：
Amperometric Identification of Single Exosomes and Their Dopamine Contents Secreted by Living Cells, Anal Chem. 2023 Jul 21. doi: 10.1021/acs.analchem.3c01253.
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