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英文标题：Highly sensitive galectin-3 electrochemical sensor based on a dual-recognition interface of cyclodextrin-integrated molecularly imprinted polymers (MIPs) and an aptamer
成果简介
心力衰竭（HF）是全球重大健康负担，血清中半乳糖凝集素-3（Gal3）水平升高被广泛认为是疾病进展的可靠生物标志物。Gal3的准确检测对于HF的预后评估和有效管理至关重要。本研究开发了一种用于Gal3的双识别夹心传感器，为定量生物标志物分析提供了灵敏且选择性的平台。通过准确测量Gal3水平，该系统可有效评估HF的严重程度，并跟踪随时间及治疗响应的变化。双识别元件的集成增强了分析可靠性，强化了其在临床HF管理中的应用潜力。该传感器采用六（6-巯基-6-脱氧）-β-环糊精（mCD）整合的聚吡咯（PPy）作为分子印迹聚合物（MIP），称为“mCD/PPy MIP”。该设计通过在MIP制备过程中自组装促进Gal3模板的定向固定。同时，通过分子对接分析鉴定的Gal3适配体与磷酸铜（包封于胺功能化二氧化硅纳米颗粒中，即Cu标记纳米颗粒）偶联，作为电化学信号探针。在优化条件下，该传感器表现出0.1–80 ng mL⁻¹的线性检测范围，检测限（LOD）为0.1 ng mL⁻¹，定量限（LOQ）为4.5 ng mL⁻¹。该性能足以支持HF的临床预后评估和风险分层。该传感器显示出高准确度和精密度，无干扰，并能有效检测HSA耗竭、去脂血清样本中的Gal3，展示了其在HF预后和监测中的应用潜力。
研究亮点
识别端：在丝网印刷碳电极（SPCE）上依次修饰 Ru/MWCNTs → 电沉积 AuNPs → 锚定六(6-巯基-6-脱氧)-β-环糊精（mCD）→ 以 Gal3 为模板电聚合聚吡咯（PPy），洗脱后得到 mCD/PPy 分子印迹聚合物（MIP）；第二识别元件为经分子模拟筛选并实验验证的 Gal3 特异性 DNA 适配体（突变体 B26_C16G，KD≈15.2 μM）。
信号端：适配体偶联于氨基硅包裹的磷酸铜纳米粒（Cu-labeled NPs），夹心结合后加醋酸溶出 Cu²⁺，用电位溶出分析（PSA）在 −0.1 V 附近检测铜信号。
传感性能：线性范围 0.1–80 ng/mL，LOD 0.1 ng/mL，LOQ 4.5 ng/mL，覆盖临床截断值 17.8 ng/mL；在 HSA 去除、无脂人血清中回收率 103.3–117.7%，RSD 4.1–10.9%。
图文解析
示意图1. Gal3电化学传感器用于Gal3检测的逐步构建示意图。
图1. Gal3电化学传感器逐步制备的表征。电极修饰过程的电化学表征：（A）SWV曲线和（B）EIS奈奎斯特图，记录于电极修饰过程中。相应曲线代表（a）裸SPCE，（b）MWCNTs/SPCE，（c）Ru/MWCNTs/SPCE，（d）Au/Ru/MWCNTs/SPCE和（e）mCD/Au/Ru/MWCNTs/SPCE。修饰电极的表面表征：（C）（a）Au/Ru/MWCNTs/SPCE和（b）mCD/Au/Ru/MWCNTs/SPCE的FTIR光谱，及（d）关键组分的化学结构，包括mCD、Ru和MWCNTs。印迹和再结合过程的电化学表征：（E）mCD/PPy MIP和（F）mCD/PPy NIP的SWV曲线。相应曲线代表（a）mCD/Au/Ru/MWCNTs/SPCE，（b）聚合后，（c）洗脱后，和（d）与500 ng mL⁻¹ Gal3再结合后。所有实验均在含2.5 mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]（1:1）和0.1 M KCl的氧化还原探针中记录。
图2：Gal3电化学传感器表面的表征。逐步修饰电极的表面形貌SEM图像：（A）裸SPCE，（B）Ru/MWCNTs/SPCE，（C）mCD/Au/Ru/MWCNTs/SPCE，（D）mCD/PPy MIP和（E）mCD/PPy NIP。所有图像均在50,000×放大倍数下获取。制备的传感器界面的形貌和元素表征：（F）mCD/PPy MIP的EDS谱图及对应的元素面分布图。插图显示传感器架构示意图。表面形貌表征：（G）mCD/PPy NIP和mCD/PPy MIP的三维AFM图像及平均表面粗糙度值比较。星号（*）表示Student t检验确定的统计学显著差异（p<0.05）。（n=100，代表采样的表面点）。
图3：适配体设计的计算筛选、实验验证及Cu标记纳米颗粒的制备。适配体设计网络服务器的计算基准测试：（A）2D结构预测服务器性能比较，（B）14–40个核苷酸适配体3D结构预测服务器性能比较，（C）蛋白质-DNA对接性能。不同小写字母表示单因素方差分析及Duncan多重范围检验确定的统计学显著差异（p<0.05）（n=3，均值±SEM）。适配体筛选与验证：（D）通过分子对接获得的适配体候选物的结合亲和力，（E）先导和工程化适配体在Gal3表面上的模拟3D结合取向，（F）通过荧光分析确定适配体候选物与Gal3之间的KD。使用所选适配体制备的Cu标记纳米颗粒的表征：（G）（a）CuP NPs和（b）NH₂-SiO₂/CuP NPs的XRD谱图，（H）不同表面修饰阶段的Zeta电位值，（I）Cu标记纳米颗粒的SEM图像及粒径分布。不同小写字母表示单因素方差分析及Duncan多重范围检验确定的统计学显著差异（p<0.05）（n=3，均值±SD）。（J）Cu标记纳米颗粒的EDS谱图和元素组成，（K）（a）0.1 M乙酸（空白），（b）Cu²⁺溶液，（c）CuP NPs和（d）Cu标记纳米颗粒的PSA曲线。
图4：Gal3电化学传感器的分析性能。（A）完整Gal3电化学传感器与相应对照构型的PSA响应比较。数据以均值±SD表示（n=3）。不同小写字母表示单因素方差分析及Duncan多重范围检验确定的统计学显著差异（p<0.05）。（B）使用Cu标记纳米颗粒作为信号报告分子，与不同浓度Gal3（0.1–150 ng mL⁻¹）再结合后获得的PSA曲线。插图：PSA信号与Gal3浓度的关系。（C）Gal3定量的校准曲线。（D）Gal3电化学传感器在潜在干扰生物分子存在下对Gal3的选择性评估。数据以均值±SD表示（n=3）。*表示Student t检验确定的统计学显著差异（p<0.05），ns表示无显著差异（p>0.05）。（E）在HSA耗竭、去脂人血清样本中加标已知浓度Gal3的回收率研究。数据以均值±SD表示（n=3）。ns表示单样本t检验确定的测得值与加标Gal3浓度之间无显著差异（p>0.05），以加标浓度作为参考值。
研究结论
本研究通过将环糊精修饰的分子印迹聚合物（mCD/PPy MIP）与Gal3适配体相整合，成功开发了一种用于Gal3检测的双识别电化学传感器。mCD整合的MIP提供了结构明确的定向识别位点，而适配体贡献了额外的亲和力驱动的结合机制，两者共同增强了选择性并最小化了非特异性相互作用。通过引入Cu标记纳米颗粒作为夹心型探针实现了信号放大，显著增强了电化学响应。所开发的传感器在宽动态范围（0.1–80 ng mL⁻¹）内表现出高灵敏度，并在复杂生物基质（包括HSA耗竭、去脂人血清）中展现了可靠的性能。尽管本研究中未研究传感平台的长期稳定性和可重用性，但所提出的策略为未来的优化和临床验证提供了有前景的基础。总体而言，这种双识别和信号放大的传感平台代表了选择性Gal3检测的稳健且通用的策略，在临床诊断中具有强大潜力，并可扩展到其他临床相关生物标志物的检测。
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