Nano Lett｜吉林大学马强：基于SnS2QDs@MXene异质结的SPC-ECL传感器用于唾液外泌体检测及儿童哮喘诊断

支气管哮喘（简称哮喘）是儿童最为常见的慢性呼吸道疾病，特点是反复发作的咳嗽和喘息和呼吸困难，严重影响儿童的身心健康，给家庭、社会带来巨大的经济负担，消耗了大量的医疗卫生资源。2019年全球有2.62亿哮喘患者，其中455,000人因治疗不足死亡，这提示着哮喘已经成为危害公共健康最常见的疾病之一。而目前儿童哮喘的诊断主要依赖于提示性病史和对预防治疗试验的应答情况，对哮喘的诊断缺乏客观性，导致了临床有过度诊断和诊断不足情况。外泌体作为新型生物标志物，含多种生物分子，且其稳定的磷脂结构不易被唾液酶降解。因此唾液中外泌体可用于监测哮喘活动、评估疗效、助早期诊断和风险评估，尤其适合儿童无创诊断。电致化学发光（ECL）技术因其高灵敏度、低成本和强时空可控性，在超灵敏的外泌体分析上有巨大潜力。

近日，吉林大学化学学院马强教授课题组通过功函数的匹配设计了SnS₂QDs@MXene异质结，结合催化发夹自组装策略，构建了一种用于儿童哮喘患者唾液外泌体检测的生物传感器。这项研究不仅在技术上取得了创新，更在临床应用前景上展现出潜力。该工作以“SnS₂QDs@MXene Ohmic Junction-Based Surface Plasmon Coupling ECL Sensor to Detect Saliva Exosome for the Diagnosis of Childhood Asthma”为题发表在Nano Letters上 (10.1021/acs.nanolett.4c04939)。论文第一作者为博士生李贞润，论文通讯作者为马强。马强教授一直从事临床医学检验、环境检测与电化学发光技术、纳米光子学等交叉领域的科学研究工作。

图1. 基于SnS₂QDs@MXene的表SPC-ECL传感器的示意图

这项研究以SnS₂ QDs@MXene异质结作为发光探针，以Bi-SiO₂核壳纳米粒子阵列（Bi@SiO₂）为传感平台，基于催化发夹自组装（CHA）策略捕获与外泌体CD9相关的辅助DNA（sDNA），实现对儿童哮喘患者唾液中外泌体表面CD9的定量分析。一方面，基于Ti₃CNT_xMXene与SnS₂ QDs之间的功函数差异构建了SnS₂ QDs@MXene异质结，既保留了MXene优异的导电性和柔韧性，又显著提升了SnS₂ QDs的ECL发光性能。另一方面，该传感器通过液液界面自组装的方法构建了Bi@SiO₂ NPs阵列作为传感界面。Bi@SiO₂NPs阵列表现出表面等离激元耦合（SPC）效应，通过SnS₂QDs@MXene的ECL信号与Bi@SiO₂NPs阵列中的电子振荡产生共振，从而实现了ECL信号的放大。由此产生的SPC-ECL效应不仅增强了发光强度，而且将各向同性ECL转化为定向极化信号，检测过程如图1所示。由于跨膜四蛋白9（CD9）适配体与唾液外泌体的高亲和力和特异性结合以及催化发夹自组装（CHA）策略，因此可以在Bi@SiO₂ NPs阵列上捕获sDNA并用SnS₂ QDs@MXene标记。该生物传感器已成功用于检测唾液外泌体中的CD9蛋白。

嗜酸性粒细胞（eosinophils）是哮喘发病机制中的一个关键细胞类型，特别是在嗜酸性粒细胞型哮喘（eosinophilic asthma）中。这些细胞在哮喘的急性发作中起重要作用，通过释放颗粒性物质和细胞因子，加剧气道炎症和损伤。CD9是一种在嗜酸性粒细胞上传递刺激信号的分子，与哮喘患者气道上皮细胞的功能变化有关。因此检测唾液外泌体中的CD9含量对哮喘的诊断是有重大意义的。唾液中外泌体的磷脂双层膜有效地阻止了内部成分被各种唾液仲的酶降解。在检测过程中，采用CD9适配体捕获外泌体膜上的CD9蛋白。同时，sDNA从CD9适配体-sDNA双链结构中释放出来，打开了H1的发夹结构并形成了sDNA-H1双链结构。由于SnS₂ QDs@MXene-H2的作用，sDNA从sDNA-H1中释放出来并激活下一个循环。基于H1-H2的杂交，SnS₂ QDs@MXene在Bi@SiO₂NPs阵列上成功连接。该传感器在实际检测儿童唾液时，不仅可以将正常人和哮喘患者的样本区分开来，并且能够将哮喘患者的急性发作期样本与症状缓解期样本区分开来（如图2所示）。结果表明该工作在真实样本分析中具有良好的可靠性和可行性以及建立的传感器对于哮喘的分期及发展阶段的识别方面具有巨大潜力。

图2. SPC-ECL传感器对外泌体表面CD9的检测性能

总之，以SnS₂ QDs@MXene异质结作为发光探针的SPC-ECL传感器具有良好的抗干扰能力、稳定性和高灵敏度，与CHA策略结合成功应用于儿童哮喘相关的外泌体。研究表明，Bi@SiO₂NPs阵列可以将相邻粒子之间的电磁场耦合为热点。这些热点可以大大增强LSPR效应以及ECL信号与SPC-ECL等金属纳米结构的相互作用。该研究提出的新策略为外泌体的检测和儿童哮喘的诊断提供了新启发。

参考文献：

SnS₂QDs@MXene Ohmic Junction-Based Surface Plasmon Coupling ECL Sensor to Detect Saliva Exosome for the Diagnosis of Childhood Asthma. Nano Lett. 2024 Nov 22. doi: 10.1021/acs.nanolett.4c04939.

外泌体资讯网 Nano Lett｜吉林大学马强：基于SnS2QDs@MXene异质结的SPC-ECL传感器用于唾液外泌体检测及儿童哮喘诊断