外泌体是具有磷脂双分子层膜结构的细胞外囊泡亚群之一，其表面富含多种蛋白质，如四跨膜蛋白、热休克蛋白、生物合成蛋白等。这些膜蛋白提供了大量稳定的亲代细胞信息，在临床诊断中表现出很高的灵敏度和特异性，成为疾病诊断和预后的外泌体重要生物标志物。然而，外泌体膜蛋白的检测仍面临灵敏度低、依赖复杂系统等挑战。基于硅纳米线场效应晶体管的生物传感器（Si-NW Bio-FET）具有响应快速、灵敏度高、无标记、与生物分子有良好尺寸兼容性等优点，在生物检测方面展现出强大潜力。
近日，中国科学院微电子研究所李明虓研究员团队在Talanta杂志上发表题为“Exosomal membrane proteins analysis using a silicon nanowire field effect transistor biosensor”的论文（2024 Jul 10:278:126534），文章首先探讨了 Si-NW Bio-FET在检测外泌体时面临的德拜屏蔽问题，通过稀释PBS缓冲液有效克服了德拜屏蔽效应，在0.01×PBS中实现了1078 particles/mL的检测限。研究人员还以CD9、CD81和CD3三种膜蛋白为生物标志物，将Si-NW Bio-FET用于对照组、LPS炎症组、LPS+FK228药物治疗组三种不同状态下HL-60细胞外泌体的检测，其检测结果与纳米流式细胞仪结果一致，证明Si-NW Bio-FET 为外泌体无标记分类检测提供了一种可靠有效的方法。文章第一作者为博士生覃美研，通讯作者为中国科学院微电子研究所李明虓研究员、张青竹研究员，首都医科大学宣武医院赵海苹研究员。
德拜屏蔽效应是Si-NW Bio-FET检测外泌体时面临的一个主要挑战，严重影响了检测灵敏度。研究团队首先通过二维仿真探究了德拜长度对Si-NW Bio-FET检测均匀带电粒子的影响。仿真结果显示，随着缓冲液浓度增加，德拜长度逐渐减小，导致距离Si-NW表面一定距离处的带电粒子对Si-NW产生的电学响应也随之减小。之后，研究团队进一步探究了不同浓度PBS缓冲液对Si-NW Bio-FET检测外泌体的具体德拜屏蔽效应。实验结果与仿真结果一致，在最大稀释倍数0.01×PBS缓冲液中，Si-NW Bio-FET检测外泌体的电学响应最大，且检测限为1078 particles/mL。
图1. Si-NW Bio-FET 传感机理为验证Si-NW Bio-FET在外泌体分类检测方面的能力，研究团队建立了HL-60细胞炎症模型，包括对照组、LPS组（添加LPS诱导炎症），以及LPS + FK228组（药物治疗组），其中FK228是一种组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂，在各种炎症模型中均表现出良好的抗炎特性。首先通过纳米流式细胞术分析三组细胞上清液中外泌体的浓度、粒径分布和膜蛋白CD9、CD81和CD63的表达情况。之后分别用修饰了特异性抗体CD9、CD81和CD63的Si-NW Bio-FET对三组外泌体进行电学检测。结果显示，Si-NW Bio-FET能够对外泌体样本进行准确的定量分析，并根据膜蛋白组成区分不同生理和病理状态下的细胞，该结果与纳米流式细胞术结果一致，表明Si-NW Bio-FET在疾病早期诊断和指导用药方面具有巨大的应用潜力。
图2. Si-NW Bio-FET和纳米流式细胞术检测HL-60细胞外泌体的相关性分析综上所述，这项研究基于Si-NW Bio-FET开发了一种高灵敏度、无标记直接检测外泌体的方法。虽然临床样品中离子和蛋白质等引起的德拜屏蔽效应和非特异性结合可能会影响Si-NW Bio-FET在实际应用中的性能，但通过必要的样品预处理过程，Si-NW Bio-FET在疾病监测和药物指导方面仍然具有巨大的潜力。参考文献：Exosomal membrane proteins analysis using a silicon nanowire field effect transistor biosensor. Talanta,278 (2024), 126534. DOI: 10.1016/j.talanta.2024.126534.
外泌体资讯网 Talanta｜中国科学院微电子研究所李明虓研究员团队：基于硅纳米线场效应晶体管生物传感器的外泌体膜蛋白分析
