Advanced Science | 用于肿瘤来源外泌体超灵敏特异性太赫兹遥感的免疫磁性-MXene双功能探针

文章来源：北科纳米专业的纳米材料合成专家浏览次数：202时间：2026-10-17 设计合成：18101240246

肿瘤来源外泌体（tExos）是胰腺癌（PC）早期诊断中极具潜力的生物标志物，但目前的检测方法受限于操作繁琐、样本消耗量大以及复杂的基质干扰等问题。本文开发了一种免疫磁性-MXene双功能探针，并将其与太赫兹（THz）超材料相结合，以协同提高胰腺癌来源tExos检测的灵敏度和特异性。我们分别将抗ZIP4和糖蛋白聚糖-1（GPC-1）的抗体偶联到磁珠（MBs）和MXene纳米片上，构建了两种可同时靶向胰腺癌来源tExos的探针，实现了对目标外泌体的高特异性三明治式捕获。此外，MXene增强了tExos诱导的太赫兹超材料共振，并在信号放大方面优于金纳米颗粒（AuNPs），使该方法的检测限（LOD）低至647个颗粒/mL。-1我们开发的太赫兹超材料传感器能够准确检测胰腺癌小鼠模型中的早期肿瘤形成并评估治疗反应。在一个包含60名受试者的临床队列中，该传感器能够区分所有分期的胰腺癌患者和健康对照组，曲线下面积（AUC）为0.997。与传统的CA19-9检测方法相比，我们的太赫兹超材料传感器在11例早期胰腺癌患者中展现出更高的诊断准确性（AUC：0.991 vs. 0.809），且具有操作流程简化、样本需求量极低（10 µL）和成本低廉（< 5美元）等优点，凸显了其在胰腺癌早期诊断中具有临床转化应用的巨大潜力。

该研究以题为“Immunomagnetic‐MXene Bifunctional Probes for Ultrasensitive and Specific Terahertz Metasensing of Tumor‐Derived Exosomes”发表在Advanced Science上。

图1

免疫磁性MXene双功能探针整合太赫兹超材料传感用于精准胰腺癌诊断的示意图。(a) 太赫兹超材料传感器定量检测PC来源tExos的工作原理示意图。(b) 太赫兹超材料传感器用于早期胰腺癌诊断和进展评估的工作流程及特点。MB，磁珠；MX，MXene；tExo，肿瘤来源外泌体；QBIC MM，基于准连续域束缚态的超材料；HD，健康供体；Early，早期；Adv.，晚期。

图2

免疫磁性MXene双功能探针的合成与表征。(a) 双功能探针构建及MB-tExo-MX一步夹心形成的示意图。(b) PANC-1来源tExos的TEM。比例尺：200 nm。(c) tExos粒径分布的NTA结果；粒径以三次独立测量的均值±SD表示。(d) 从PANC-1、MDA-MB-231和HPNE细胞分离的外泌体中外泌体标志物（CD9、CD63、CD81和TSG101）、内质网驻留蛋白calnexin及PC相关生物标志物（GPC-1和ZIP4）的蛋白质印迹分析。(e) PANC-1来源tExos的纳米流式细胞术分析。Q2群体代表GPC-1⁺/ZIP4⁺双阳性tExos。(f) MXene纳米片的AFM图像。(g) MXene-PEI（绿色）、MXene（蓝色）和PEI（红色）的FT-IR光谱。(h) MXene、PEI、MX-PEI和MX-aGPC-1的Zeta电位分析。(i) MXene、MX-PEI和MX-aGPC-1的N 1s峰高分辨XPS谱图。(j) MB、MB-aZIP4、MB-tExo和MB-tExo-MX的Zeta电位和直径。ζ，Zeta电位；D，直径。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(k) MB、MB-tExo和MB-tExo-MX的SEM图像。比例尺：300 nm。(l) MB-tExo-MX的元素分布分析。比例尺：300 nm。

图3

QBIC超材料的仿真与制备。(a) 制备的太赫兹超材料的光学照片及局部放大图。比例尺：100 µm。(b) (a)中一个单元的结构参数。Px=100 µm，Py=100 µm，L=60 µm，W=8 µm，G=1 µm。(c,d) 不同不对称度α的QBIC超材料的仿真和测量太赫兹透射光谱。(e) 通过改变参数α值对QBIC超材料的仿真映射。(f) 裸超材料和负载MXene的超材料在不同不对称度α下的FOM值。(g) 在MXene存在下，不同不对称参数α值的QBIC超材料的仿真太赫兹透射光谱。(h) QBIC超材料的多极展开结果。ED，电偶极；MD，磁偶极；EQ，电四极；MQ，磁四极。(i) 0.60和1.62 THz入射光下太赫兹超材料结构的表面电流、磁场和电场分布。(j) MXene覆盖半径r从10到28 µm变化的QBIC超材料的仿真太赫兹透射光谱。(k) 裸超材料和负载MXene超材料的测量太赫兹透射光谱。(l, m) 单个芯片上20个随机选择位置处检测MXene的Δf和ΔT分布。

图4

太赫兹超材料传感器检测tExo的分析性能评估。(a) 太赫兹超材料检测MB-tExo-MX的示意图。(b) 不同浓度tExos的测量太赫兹透射光谱。(c, d) (c) Δf和(d) ΔT与tExo浓度对数之间的相应线性关系。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(e, f) Δf和ΔT测量显示太赫兹超材料传感器对PC来源tExos的特异性。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(g) 空白对照、MB-tExo、MB-tExo-AuNPs和MB-tExo-MX的峰归一化太赫兹透射光谱。(h) 空白对照、MB-tExo、MB-tExo-AuNPs和MB-tExo-MX的Δf。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(i) 无MXene时Δf与tExo浓度对数之间的相应线性关系。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(j) 有和无MXene时tExo检测的LODs。(k) 不同环境中tExos的检测。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(l) 加标血清样本中tExos的检测。数据以n=3次重复的均值±SD表示。(m) 三种不同浓度（10³、10⁵和10⁸颗粒mL⁻¹）tExos的重复性检测。(n) tExo检测中太赫兹超材料传感器结果与NTA结果之间的相关性。(o) 太赫兹超材料传感器结果与NTA结果的Bland-Altman分析。

图5

使用太赫兹超材料传感器监测肿瘤负荷和治疗评估。(a) PXT小鼠模型治疗和检测方案示意图。(b) 健康对照组、荷瘤组和荷瘤+化疗组每只小鼠在第8周（实验终点）的MRI。肿瘤以白色圈出。(c,d) 第8周荷瘤组（n=10）和荷瘤+化疗组（n=10）小鼠的平均肿瘤重量(c)和肿瘤体积(d)。(e) 荷瘤小鼠不同时间点的太赫兹透射光谱。(f) 荷瘤小鼠2-8周内肿瘤大小与Δf的关系。数据以n=10只小鼠的均值±SD表示。(g) 荷瘤+化疗组小鼠不同时间点的太赫兹透射光谱。(h) 荷瘤+化疗组小鼠2-8周内肿瘤大小与Δf的关系。数据以n=10只小鼠的均值±SD表示。(i) 健康小鼠皮下组织和荷瘤组及荷瘤+化疗组小鼠肿瘤组织的H&E染色。比例尺：100 µm。(j) 健康对照、荷瘤组和荷瘤+化疗组个体小鼠的Δf和CA19-9水平，分别通过太赫兹超材料传感器和ELISA测量。每个值代表每只小鼠3次重复的均值，误差棒表示SD。(k) 太赫兹超材料传感器结果和CA19-9 ELISA结果区分荷瘤小鼠与健康小鼠的ROC曲线分析。(l) 荷瘤组和荷瘤+化疗组小鼠之间Δf和CA19-9水平的比较（每组n=10）。(c, d)和(l)中的统计学显著性通过双尾独立样本Student t检验确定（****p < 0.0001；ns，无统计学显著性）。

总结

胰腺癌早期诊断依赖肿瘤外泌体，但现有方法操作繁琐、样本消耗大且易受基质干扰。我们构建了免疫磁性-MXene双功能探针，分别将抗ZIP4和GPC-1抗体偶联于磁珠和MXene纳米片，实现对胰腺癌外泌体的高特异性三明治捕获。MXene增强外泌体诱导的太赫兹超材料共振，信号放大优于金纳米颗粒，检测限低至647个颗粒/毫升。该传感器可检测小鼠早期肿瘤并评估治疗反应。

该工作将太赫兹超材料与双抗体探针结合，在保持低样本量和低成本的同时实现高灵敏度检测，为胰腺癌早筛提供了可转化的技术路径。未来可扩展抗体组合，覆盖其他外泌体标志物或癌种。MXene的信号增强特性也可用于其他光学传感平台。临床队列中早期诊断准确性优于CA19-9，提示其可作为现有标志物的补充或替代。自动化样本前处理和大规模前瞻性验证是下一步重点，但该策略为外泌体液体活检的临床落地提供了可行方案。

参考文献：

DOI:10.1002/advs.78093

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