阿尔茨海默病核心生物标志物痕量检测的化学传感平台研究进展

本文由Kayoung Kim、Chang Heon Lee和Chan Beum Park*（韩国科学技术院材料科学与工程系）撰写，发表于2020年的*Chemical Society Reviews*期刊（DOI: 10.1039/d0cs00107d）。文章系统综述了针对阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）核心生物标志物的光学与电化学传感技术进展，重点探讨了其在临床早期诊断中的应用潜力与挑战。

研究背景与意义

阿尔茨海默病是全球最常见的神经退行性疾病，占痴呆病例的70%，65岁以上人群发病率超过10%。目前临床诊断依赖神经心理学评估和神经影像学，但存在准确性低、成本高的问题。研究表明，AD病理变化（如β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和tau蛋白缠结）在认知症状出现前10–15年已开始，因此检测脑脊液（CSF）或血液中Aβ42、磷酸化tau（p-tau）等生物标志物的痕量水平（pg/mL级）对早期诊断至关重要。然而，传统检测方法（如ELISA、质谱）面临灵敏度不足或设备复杂等局限。本文旨在总结新型光学与电化学传感平台的突破性进展，推动其向临床转化。

核心生物标志物及其病理关联

1. Aβ肽段与寡聚体

   • Aβ42/Aβ40：Aβ42因疏水性更强，易聚集形成毒性寡聚体和斑块，其CSF水平在AD患者中降低约40%（<500 pg/mL）。Aβ40作为内参，Aβ42/A40比值可提高诊断准确性。
     
   • Aβ寡聚体：如ADDLS（Aβ衍生的可扩散配体）和Aβ*56，是神经元损伤的关键毒性物质，但结构异质性导致检测难度大。
     

2. Tau蛋白

   • 总tau（t-tau）：反映神经元损伤，AD患者CSF中水平升高2–3倍（约4600 pg/mL）。
     
   • 磷酸化tau（p-tau181/p-tau231）：特异性区分AD与其他痴呆类型，CSF中浓度约为t-tau的1/10（36.1 pg/mL为临界值）。
     

3. 其他标志物

   • 载脂蛋白E（ApoE4）：最强遗传风险因子，与Aβ42水平正相关。
     
   • 神经丝轻链（NFL）：血清中水平可预测AD进展，症状出现前16年已异常。
     
   • 外泌体标志物（如Flotillin）：与淀粉样沉积负相关，但机制尚不明确。
     

生物识别元件

1. 抗体：高亲和力（Kd=10⁻⁸–10⁻¹² M），如6E10（靶向Aβ1–16）、AT270（靶向p-tau181）。
   
2. 适配体（Aptamer）：稳定性高、成本低，如靶向tau381的ssDNA（5’-GCGGAGCGTGGCAGG-3’）。
   
3. 天然蛋白：如朊蛋白（PrP⁶）特异性结合ADDLS，Gelsolin识别Aβ单体。
   

光学传感平台

1. 表面等离子体共振（SPR）

   • 原理：金属膜折射率变化反映生物分子结合。
     
   • 案例：Lee课题组开发适配体修饰SPR传感器，检测tau蛋白灵敏度达397 fg/mL。
     

2. 表面增强拉曼光谱（SERS）

   • 优势：提供分子指纹信息，如Demeritte团队用磁性核壳纳米颗粒检测Aβ42（500 fg/mL）。
     

3. 金纳米颗粒（AuNP）比色法

   • 局限：灵敏度较低（ng/mL级），但结合双光子散射技术可提升至pg/mL级。
     

4. 生物条形码检测

   • 创新点：通过核酸扩增间接定量ADDLS，灵敏度达5.3 fg/mL。
     

电化学传感平台

1. 伏安法/安培法

   • 氧化还原探针：如Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻，检测Aβ42的LOD为5 pg/mL。
     
   • 酶信号放大：辣根过氧化物酶（HRP）催化TMB氧化，提升灵敏度100倍。
     

2. 阻抗法

   • 非法拉第模式：Hwang团队用叉指微电极（IME）检测Aβ42，无需标记，灵敏度达fg/mL级。
     

3. 导电传感器

   • 碳纳米管（CNT）场效应管：Kim等开发密集排列CNT阵列，可同时检测Aβ42、tau等，临床样本准确率88.6%。
     

4. 光电化学（PEC）

   • 材料创新：SnO₂/SnS₂/Ag₂S异质结在可见光下产生光电流，检测Aβ42的LOD为0.1 pg/mL。
     

挑战与未来方向

1. 临床转化瓶颈

   • 血液标志物浓度极低（如血浆Aβ42≈38 pg/mL），需突破检测极限。
     
   • 生物流体的基质效应（如蛋白吸附）干扰信号准确性。
     

2. 多标志物联检

   • 复合比值（如Aβ42/Aβ40、p-tau181/Aβ42）可提高诊断特异性，需开发集成化传感器。
     

3. 标准化与规模化

   • 多数平台仅测试小样本（n<20），需大队列验证。
     

论文价值与亮点

1. 全面性：首次系统梳理AD标志物检测的光学与电化学技术，涵盖2014–2019年关键进展。
   
2. 创新点：
   
   • 提出“形状编码”LSPR策略，实现Aβ40/Aβ42/tau三指标同步检测。
     
   • 氧等离子体处理还原氧化石墨烯（rGO），灵敏度提升3.3倍。
     
3. 临床意义：为开发低成本、便携式AD早期诊断设备提供理论框架。
   

本文不仅为研究者设计高灵敏度传感器指明方向，也为跨学科合作（材料科学、生物医学、电子工程）推动AD诊断革新提供了重要参考。