ACS Sens：空间隔离电化学传感器同时检测前列腺特异性抗原与肌氨酸以提升早期前列腺癌临床预测

      前列腺癌（PCa）是男性群体中高发的恶性肿瘤，因起病隐匿，常确诊于晚期，导致治疗效果不佳、生存率降低。目前临床筛查主要依赖前列腺特异性抗原（PSA）检测，但在低PSA浓度区间预测准确性有限：PSA灰区（4-10 ng/mL）预测准确率低于40%，10-20 ng/mL区间也仅约50%，良性前列腺炎等疾病导致的PSA假性升高是主要原因。

    为此，研究提出同时检测PSA与肌氨酸（Sar） 的互补策略：Sar水平基本不受前列腺炎等良性病变影响，两者交叉验证可显著提升PCa预测准确性。然而，现有同时检测方法中，两种识别单元在传感器表面混杂分布，大分子PSA会严重干扰小分子Sar的识别，降低检测灵敏度。针对这一瓶颈，本研究提出空间隔离策略：将核黄素（Rf）纳米酶封装于MOF-74(Ni) 孔道内，实现小分子Sar的孔内检测；将PSA可切割的铁氰标记肽（Pep-Fc）锚定于MOF-74外表面，实现大分子PSA的表面检测。两种标志物分别在-0.24 V和+0.38 V产生互不干扰的电化学信号，彻底消除交叉干扰。该传感器对Sar和PSA的检测限分别低至0.78 fg/mL和0.065 fg/mL。在40例临床血清样本验证中，PSA>20 ng/mL时预测准确率达100%；在4-20 ng/mL区间，同时检测将预测准确率从不足50%提升至85%以上，展现出显著的临床转化潜力。

• DFT指导筛选最优MOF基体：通过密度泛函理论计算比较七种MOF对Sar的吸附能，MOF-74(Ni)（-19.24 kcal/mol）显著优于MIL-101(Fe)、MIL-100(Fe)、Cu-BDC等，且优于易在水相中结构降解的HKUST-1，最终选定MOF-74(Ni)作为传感基体。

• 孔内-表面空间隔离消除交叉干扰：Rf纳米酶原位封装于MOF-74孔道内，小分子Sar可进入孔道被催化；Pep-Fc通过末端组氨酸与表面Ni²⁺配位锚定于外表面，大分子PSA被孔道尺寸排阻而无法进入，只能在外表面被识别切割。吸附实验证实，即使PSA浓度高达100 ng/mL，Sar的吸附容量和速率下降均不足10%。

• 双电位读出实现无串扰同时检测：Sar检测在-0.24 V产生"信号开启"响应（Rf催化Sar产生H₂O₂→Ni²⁺类Fenton反应生成•OH→氧化MB），PSA检测在+0.38 V产生"信号关闭"响应（PSA切割Pep-Fc释放Fc），两个信号在相反电位窗口独立读出，互不干扰。

• 临床预测准确性显著提升：40例临床血清样本中，PSA>20 ng/mL的13例样本预测准确率达100%；4-20 ng/mL的27例低PSA样本中，Sar与PSA联合检测与病理诊断一致率达24/27（约88.9%），远超PSA单独检测不足50%的准确率。

  
  

Fig. 1 |(A) MOF-74/Rf@Pep-Fc电化学传感器的合成过程及(B)同时检测Sar和PSA的机理；(C) MOF-74/Rf@Pep-Fc在0.1 mol/L PBS缓冲液中的DPV曲线（分别含无其他物质、1.0 ng/mL PSA、5.0 μmol/L MB、5.0 μmol/L MB + 1.0 ng/mL Sar、5.0 μmol/L MB + 1.0 ng/mL PSA）；(D) 对应响应信号峰电流值的柱状图。

Fig. 2 | (A) MOF-74和(B) MOF-74/Rf的SEM图像；(C) MOF-74/Rf的元素分布图；(D) Rf、MOF-74和MOF-74/Rf的XRD图谱及(E) FTIR光谱；(F) MOF-74和MOF-74/Rf的Ni 2p XPS谱。

Fig.3 | MOF-74/Rf@Pep-Fc传感器在0.1 M PBS（pH 7.0）中共存Sar和PSA时的电化学响应：(A) 不同Sar浓度（1.0 fg/mL–100 ng/mL）的DPV曲线及(B) 线性拟合图；(C) 不同PSA浓度的DPV曲线及(D) 线性拟合图；(E) 两种标志物同时变化时的DPV曲线及(F) 线性拟合图；(G) 十根独立传感器对1.0 ng/mL Sar和PSA的峰电流柱状图；(H) 在PBS中浸泡0 h、0.5 h、1.0 h、2.0 h、3.0 h后的峰电流；(I) 在10倍正常血清浓度常见干扰物存在下的峰电流。

Fig.4| (A) 传感器检测PSA结果与临床PSA结果的对比；(B) 传感器检测PSA结果与临床PSA结果的对比（S代表血清样本）。

    本研究基于空间隔离策略成功构建了MOF-74/Rf@Pep-Fc电化学传感器，用于Sar和PSA的同时高灵敏检测。通过原位合成将Rf纳米酶封装于MOF-74孔道内部，同时将Pep-Fc报告肽锚定于MOF-74外表面，实现了空间分辨的双通路检测：小分子Sar经尺寸筛分进入孔道，被Rf催化氧化产生H₂O₂，继而与Ni²⁺发生类Fenton反应生成•OH，氧化MB在-0.24 V产生"信号开启"响应；大分子PSA被孔道排阻于外表面，特异性切割Pep-Fc释放Fc，在+0.38 V产生"信号关闭"响应。该传感器对Sar和PSA的检测限分别低至0.78 fg/mL和0.065 fg/mL，检测限和检测范围优于多数已报道的电化学传感器，并展现出优异的重现性（RSD<5%）、操作与储存稳定性及对常见干扰物的高特异性。临床血清样本验证进一步证实了其可靠性：传感器测得的PSA和Sar值与医院参考值及ELISA试剂盒的相对误差均小于5.0%；在低PSA浓度区间（4-20 ng/mL），该传感器对良恶性病变的区分预测准确率超过85%，显著高于当前临床方法约50%的准确率。上述结果充分表明，该空间隔离传感器在前列腺癌精准早期筛查中具有重要的临床应用潜力。

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