基于强度调制的表面等离子体共振成像（ISPRi）高灵敏度生物传感器用于癌症细胞凋亡检测的学术报告

第一，研究团队与发表信息
本研究由广东工业大学多个团队合作完成，主要作者包括Xin Yuan、Zhenxiao Niu、Lang Liu等，通讯作者为Youjun Zeng和Zhengqiang Yuan。研究团队分别来自生物医学与制药科学学院、物理与光电工程学院，以及聊城大学物理科学与信息技术学院。该研究于2023年10月23日发表在期刊《Biosensors》（2023年第13卷，第946页），文章标题为《Intensity Interrogation-Based High-Sensitivity Surface Plasmon Resonance Imaging Biosensor for Apoptosis Detection in Cancer》。

第二，学术背景
细胞凋亡（apoptosis）是程序性细胞死亡的重要形式，其检测在癌症治疗疗效评估和药物筛选中具有重要意义。传统检测方法（如Western blotting和免疫染色）存在抗体成本高、选择性不足等问题。表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术因其无标记、高灵敏度和实时检测的优势，成为生物分子相互作用分析的重要工具。然而，现有SPR成像（SPRI）技术的折射率分辨率（Refractive Index Resolution, RIR）通常仅达10⁻⁵ RIU量级，限制了其在低浓度生物标志物检测中的应用。
本研究旨在开发一种基于强度调制的高灵敏度SPRI（ISPRi）生物传感器，通过优化激发波长和入射角，提升系统分辨率，并应用于癌症细胞凋亡关键执行者——剪切活化型半胱氨酸蛋白酶-3（cleaved caspase-3, c-casp-3）的检测，为癌症治疗提供分子水平的监测工具。

第三，研究流程与方法
1. 系统设计与优化
- 激发条件优化：通过理论模拟分析不同波长（可见光与近红外波段）下SPR角谱曲线，发现近红外波段（如850 nm）的半峰宽（FWHM）更窄，可提升灵敏度。进一步优化入射角为51.6°，此时反射率34%的线性响应最佳。
- 光学系统构建：采用LED（中心波长850 nm，带宽10 nm）作为非相干光源以避免激光散斑噪声；设计双4f光路系统（透镜组L2-L3和L4-L5）确保入射光斑中心位置稳定，消除棱镜畸变对成像的影响；使用CMOS探测器（DMK 33GP031）实时记录反射光强度。

1. 性能验证

   • 动态范围与RIR测定：通过不同浓度NaCl溶液（0%~5%）测试，系统动态范围为0.00000–0.00925 RIU。根据公式σ_RI = (δn/δs) × Δσ_SD计算，RIR达5.20×10⁻⁶ RIU（δn=0.0000925 RIU，δs=1.37 a.u.，噪声Δσ_SD=0.077 a.u.）。
     

2. 凋亡检测应用

   • 细胞处理：人肺癌细胞A549经TRAIL表达外泌体（EV-Ts）与CDK抑制剂Dinaciclib（Dina）联合处理，诱导凋亡。通过流式细胞术（Annexin V/PI染色）和Western blotting验证c-casp-3激活。
     
   • ISPRi检测：
     
     • 芯片修饰：细胞裂解液中的总蛋白通过物理吸附固定在金膜芯片表面，BSA封闭非特异性结合位点。
       
     • 分子相互作用监测：注入c-casp-3特异性抑制剂Z-DEVD-FMK（20 nM），实时记录SPR信号变化。结果显示，高剂量药物组（EV-T-Dina-2）信号强度显著高于对照组（p<0.001），且与Western blotting结果一致。
       
     • 线性验证：稀释EV-T-Dina-2组蛋白浓度（0.5–1.75 μg/mL），SPR信号与蛋白浓度呈线性相关（R²=0.9977）。
       

第四，主要结果
1. 系统性能：优化的ISPRi传感器在近红外波段下实现5.20×10⁻⁶ RIU的高分辨率，优于传统SPRI技术（10⁻⁵ RIU量级）。
2. 凋亡检测：
- 药物处理组（EV-T-Dina）的c-casp-3表达显著上调，SPR信号增幅与凋亡率正相关（流式结果：EV-T-Dina-2组凋亡率显著高于对照组，p<0.001）。
- 抑制剂结合实验证实，SPR信号变化源于c-casp-3与Z-DEVD-FMK的特异性相互作用，且信号强度与蛋白浓度线性相关。

第五，结论与价值
本研究开发了一种高灵敏度、实时、无标记的ISPRi生物传感器，其创新性体现在：
1. 科学价值：通过光学参数优化和双4f系统设计，突破了传统ISPRi的灵敏度限制，为低丰度生物标志物检测提供了新方法。
2. 应用价值：成功应用于癌症细胞凋亡的分子水平监测，为抗肿瘤药物疗效评估和筛选提供了高效工具。

第六，研究亮点
1. 技术创新：首次将近红外波段与非相干光源结合，显著降低噪声；双4f系统简化了光路结构并提升稳定性。
2. 跨学科应用：融合光学工程与分子生物学，实现了从理论模拟到生物检测的全流程验证。
3. 临床潜力：该技术可扩展至其他凋亡相关蛋白（如caspase-8/9）的检测，推动精准医疗发展。

第七，其他价值
研究还指出未来可通过窄带滤波片、高亮度光源或低噪声CMOS进一步提升灵敏度，为传感器优化指明方向。