解锁生物检测“芯”法！南师大与华科大团队联合研发万用生物传感芯片

在生物检测领域，对更高灵敏度、更便捷操作和实时数据监测的需求从未停止。近期，南京师范大学黄丽萍研究员与华中科技大学刘钢教授等团队合作，围绕 “超表面等离子体共振（MetaSPR）” 核心生物传感检测技术展开系列研究，成功将其应用于药物研发、体外诊断、肠道功能评估及病毒生产监测等四个关键场景，展现了该平台强大的适应性与实用价值。

应用一：ADC药物研发｜pM级亲和力的“精准捕手”

抗体药物偶联物（ADC）等生物药的开发，需要准确测量抗体与靶点间极强的结合力（常为pM级）。传统方法往往步骤繁琐、通量有限，且难以实时获取动态结合数据。为应对这一挑战，研究团队提出一种逆向设计的多层MetaSPR传感器（IDMM-SPR）。该设计融合多种光学共振模式，并通过算法优化结构，实现了灵敏度数量级的提升，构成了一个从超高亲和力抗体药物开发到小分子靶点验证再到生物标志物定量检测的完整药物研发技术链条。

图1：IDMM-SPR生物传感器设计及亲和力检测

核心技术成果：

1. 超高亲和力药物相互作用的实时动力学分析

该IDMM-SPR传感器平台能够准确检测皮摩尔（pM）级别的超高亲和力相互作用（如PD-1与信迪利单抗，KD ≈ 70–127 pM），解决了传统SPR传感器在长时间解离阶段出现的基线漂移和数据失准问题。通过双目标优化设计（同时优化光学密度响应和共振峰位移），传感器在长达30分钟的慢解离过程中保持稳定监测，实现了对ADC药物（如Polatuzumab、Adalimumab、Sacituzumab govitecan）的快速、高通量亲和力筛选。

2. 小分子药物的高灵敏度检测与分子垂钓

平台突破了传统SPR技术对小分子检测灵敏度不足的局限，成功实现了小分子化合物（如槲皮素Quercetin）的亲和力评估。利用LSPR-SPP-Wood异常耦合增强效应，通过逆设计的多层纳米杯阵列结构（周期475 nm、银层80 nm、金层10 nm），将电场增强区域扩展至界面更远端，显著提升了对低分子量 analytes 的检测灵敏度。这为药物开发中的靶点垂钓（target fishing）和先导化合物筛选提供了新工具。

应用二：体外诊断｜炎症标志物的“超敏雷达”

在临床筛查中，如C反应蛋白（CRP）等炎症标志物的检测需要快速、灵敏且成本可控的方法。现有技术有时在灵敏度、速度或成本上难以兼顾。基于上述高性能IDMM-SPR传感器，研究团队构建了双抗体夹心检测体系，直接对生物样本中的目标蛋白进行定量。实现了对C反应蛋白（CRP）0.84 ng/mL的超低检测限，较未优化传感器提升147倍，较传统光纤SPR方法降低约260倍，且兼容标准微孔板读数仪，可在10分钟内完成检测，为炎症标志物的快速、低成本、高灵敏定量分析提供了适用于临床常规检验的新工具。

图2： IDMM-SPR传感平台在CRP定量检测中的应用

华中科技大学博士生杨义慧、陈友倩为该论文共同第一作者。南京师范大学黄丽萍研究员、华中科技大学刘钢教授、胡文君副教授为该论文共同通讯作者。

应用三：肠道屏障评估｜细胞健康的“动态电影仪”

肠道屏障作为人体抵御病原体入侵、保障营养吸收的关键生理屏障，其功能完整性与炎症性肠病、代谢综合征、酒精性损伤等多种疾病密切相关。在器官和细胞芯片模型中评估肠道屏障功能对于研究肠道疾病和推进新源食品原料的开发至关重要。然而，目前的技术缺乏对肠道屏障动力学进行连续、非破坏性监测的方法。为解决这一问题，研究团队构建了一种兼具高灵敏度、实时性与无损特性的肠屏障动态评估技术体系，为肠道疾病研究、药物开发及功能食品评价提供全新解决方案。

图3：超表面等离子体共振比色传感器（MetaSPRCS）平台示意图

核心技术成果介绍：

1. 技术突破：构建无损监测体系

研究团队研发的超表面比色芯片传感器（MetaSPRCS），首次实现肠屏障功能的连续、无标记、无损监测。该平台基于纳米杯阵列结构的超表面，集成经优化的Segment Anything Model（SAM）人工智能算法，可在72小时内实时追踪细胞粘附、增殖、屏障形成、损伤及修复的完整生命周期。全程无需荧光标记或破坏性取样，避免干扰细胞生理状态，彻底解决了传统技术 “一次性检测” 与 “细胞损伤” 的双重痛点。

2. 实用验证：多场景高效适配

本研究在酒精诱导肠屏障损伤模型中，该平台成功验证了二氢槲皮素（DHQ）的修复作用，通过体内外一致性关联分析，该平台可精准预测DHQ的体内外剂量转化关系，初步明确 20 μM为体外有效修复阈值，同时，该平台适配96孔高通量设计，可快速区分不同新源食品原料的不同浓度对肠道屏障早期的微信号差异。基于本技术，后续团队继续拓展了200余株益生菌的模拟动态肠道环境下对肠屏障的干预和影响，为益生菌的安全性的评估提供了新型评价手段。

华中科技大学博士生陈友倩、李雯、杨义慧与南京师范大学硕士生冯佳莹、束悦为该论文共同第一作者。南京师范大学黄丽萍研究员与李亚楠研究员为该论文共同通讯作者。

应用四：病毒生产质控｜AAV制造的“在线监工”

AAV作为基因治疗的核心载体，具有免疫原性低、表达稳定、安全性高等优势，在视网膜退行性疾病、帕金森病、肿瘤等多种疾病的治疗中展现出巨大潜力。然而，传统AAV质控方法存在检测耗时、操作复杂、无法实时监测等缺陷—ELISA需2 h且依赖酶标记，qPCR需复杂样品前处理，纳米颗粒追踪分析（NTA）灵敏度不足且重现性差，严重阻碍了AAV产业化进程。

超表面等离子体共振（MetaSPR）技术凭借无标记、响应快速等优势，为解决这一难题提供了新路径,研究团队开发了一种创新性的AAV定量监测技术——基于醛基功能化的双捕获MetaSPR高通量与实时过程分析两大互补传感系统，为腺相关病毒（AAV）生产的质量控制提供了快速、无标记、低成本的全新解决方案，破解了基因治疗制造中的关键瓶颈。

图4：AAV-2/5病毒颗粒检测的MetaSPR传感器制备及PAT检测原理示意图，含肝素捕获系统、抗体捕获系统及便携式PAT分析装备工作流程

核心技术成果介绍

1. 打造醛基功能化超表面等离子体共振（ALMetaSPR）生物传感器，通过 “抗体 + 肝素” 双捕获体系优化 AAV 离线质控，96 孔板设计 15 分钟即可完成 96 个样本分析，检测限低至 1.24×10⁹ GC/mL，灵敏度较现有无标记技术提升 250 倍，传感器可再生 42 次（抗体体系）或 10 次（肝素体系），大幅降低检测成本。

2. 研发便携式 MSPR-PAT 装置，整合 MetaSPR 传感器、微流控技术与智能手机交互，可直接耦合生物反应器，无需细胞裂解即可实时捕获分泌型 AAV-5 病毒颗粒，实时输出定量结果与动力学曲线，支持生产参数即时调整，打破传统 “终产品检测” 的滞后性，保障 AAV 批次一致性。

南京师范大学与牡丹江师范学院联合培养的研究生周翰霖、华中科技大学博士生陈友倩、南京师范大学硕士生李彤为论文共同第一作者，南京师范大学黄丽萍研究员与南京医科大学第一附属医院秦治国博士为该论文共同通讯作者。