Anal. Chem. |基于单组分纳米酶的灵活浓度适用型多模态生物传感器用于BChE的精准分析和级联逻辑电路编程的抑制剂筛选

丁酰胆碱酯酶（Butyylcholinesterase, BChE）是一种高表达的酯酶，可以控制神经系统胆碱的水解，被证实是肝细胞功能异常、阿尔茨海默病、有机磷中毒、脑卒中后痴呆等临床疾病的显性标志物。值得一提的是，其抑制剂药物可以实现BChE水平变化的可逆调节，维持正常的生理功能。然而，现有的BChE分析方法存在着不可忽视的局限性, 比如：杂化/掺杂型纳米酶的频繁使用带来的繁琐合成过程、有限模态输出引发的可靠性、精准性低的问题以及不令人满意的便携式分析能力，上述瓶颈问题使得BChE的精准、灵敏检测及其抑制剂药物的高效筛选面临严峻挑战。因此，构建一个经济高效的通用型平台，同步实现BChE的准确分析、抑制剂药物的筛选和相关疾病的诊断具有至关重要的意义。
研究内容
近日，中国海洋大学医药学院范道庆课题组和中科院长春应化所董绍俊团队设计合成了以MnSiO3纳米酶为代表的经济型单组分纳米酶。研究发现，其在较宽的pH范围内能够实现对不同光学底物的催化氧化，并通过密度泛函理论计算（DFT）首次阐明了该纳米酶的催化反应途径。利用合理的天然酶/纳米酶级联催化，构建了具有灵活浓度适用性的四模态传感平台，实现了人血清样品中BChE的便携式分析，并通过多模态协同验证实现了肝功能异常患者的临床诊断。此外，利用抑制剂与BChE之间独特的相互作用，进一步实现了典型抑制剂药物的智能逻辑识别（图1）。这项工作不仅重新定义了一种基于经济高效型纳米酶的多模态生物传感器的创新方案，而且为抑制剂药物的智能识别和筛选开拓了独特的视野。图1 多模态传感平台的检测原理及应用示意图。
不同于以往通过元素掺杂或复合杂化策略制备的纳米酶，本研究团队选取MnSiO3作为具有成本效益优势的单组分纳米酶模型。透射电子显微镜（TEM）与扫描电子显微镜（SEM）表征结果显示，所制备的MnSiO3纳米酶呈现均匀分散的球形形貌，平均直径约为30-50 nm；进一步结合X射线光电子能谱（XPS）及元素Mapping等多种表征手段，全面验证了MnSiO3纳米酶的成功合成（图2）。图2 MnSiO3纳米酶的合成及表征。
为进一步阐明MnSiO3纳米酶的催化机理，本研究引入密度泛函理论（DFT）进行计算分析。如图3所示，通过差分电荷密度、静电势、O-O键长变化、活性氧在Mn活性位点的吸附能、O2的催化反应路径等多维度表征，对其优异的OXD活性展开深入解析。实验结果清晰揭示了MnSiO3纳米酶类OXD活性的核心催化机制，据我们所知，这是首次在分子水平上明确阐明该纳米酶的催化路径，为其催化性能的优化及同类纳米酶的设计提供了重要理论依据。图3 MnSiO3纳米酶催化路径的解析。
BChE能够和BTCh特异性反应生成TCh，TCh中强还原性的巯基（-SH）可以将MnSiO3纳米酶中的Mn3+和Mn4+还原为Mn2+，从而抑制MnSiO3纳米酶的类OXD活性，基于这一机制实现了BChE活性的定量测定。在此基础上，我们构建了比色-荧光-智能手机-光热四模态分析平台，用于BChE活性的多维度评价。如图4所示，随着BChE浓度的增加，Abs652nm和FI565nm逐渐下降，且在一定的范围内呈现良好的线性关系。经计算各模态的LOD值分别为0.16 U/L（比色）、2.3 U/L（RGB比色）、2.8 U/L（光热）、0.94（荧光）以及0.78 U/L（RGB荧光），展现出优异的检测灵敏度。相比于之前的许多工作，上述多模态传感器呈现出灵活的浓度适用性，有望满足不同场景的检测需求。图4 四模态传感体系用于BChE的活性测定。
已有研究证实，BChE是评估肝脏功能的关键标志物。正常生理状态下，血清BChE活性范围为5000-12000 U/L，其活性异常变化（尤其低表达，即≤5000 U/L）可直接反映肝功能的异常情况。基于此，本研究采用比色-荧光双模态策略，实现了对肝功能正常与异常患者的精准区分。如图5所示，通过将多模态传感平台与XNOR逻辑门相结合，成功完成了临床样本中两类患者的有效甄别，并显著降低了误诊率。实验结果不仅进一步证实了逻辑辅助多模态检测的科学性与必要性，也充分验证了所构建通用传感平台的临床适用性与可靠性。图5 XNOR逻辑门辅助的肝功能正常与异常患者的临床诊断。
总结与展望
本研究成功制备了低成本、易合成的单组分纳米酶，创新性地结合多元化光学底物和便携式分析设备，构建了新型多功能的多模态生物传感器，实现了对丁酰胆碱酯酶（BChE）的便携式精准分析。尤为值得关注的是，通过XNOR逻辑门辅助的多模态信号协同验证，该传感器成功应用于肝功能异常患者的临床诊断，在降低误诊率的基础上显著提升了诊断的可靠性。同时，本研究合理设计并构建了具有多通道输出的级联逻辑电路，将其成功用于他克林、多奈哌齐、溴化新斯的明三种典型抑制剂药物的智能逻辑识别，精准测定了各种药物的半抑制浓度。综上，本研究不仅提出了一种基于经济高效型纳米酶的多模态生物传感器创新方案，更为逻辑编码介导的靶标智能识别、药物筛选及临床诊断开辟了独特路径，具有重要的理论与应用价值。

该研究成果以“Multimodal Biosensors with Flexible-Concentration Adaptability Based on Single-Component Nanozymes for Highly Accurate BChE Analysis and Concatenated Logic Circuit-Programmed Inhibitor Screening”为题发表在国际分析化学权威杂志 Analytical Chemistry 上。中国海洋大学医药学院范道庆副教授和中科院长春应化所的董绍俊院士为该论文的通讯作者，中国海洋大学医药学院硕士研究生秦帅、任雨佳和闫许欣为本文共同第一作者。本工作得到了国家自然科学基金、山东省海外优青、山东省自然科学基金、中国海洋大学“优青培育计划”等项目的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.5c07159?sessionid=