近日，信息工程学院张敏课题组、深圳湾实验室坪山生物医药研发转化中心生物部、深圳市人民医院叶喜阳课题组合作在材料科学和工程技术领域顶级期刊Advanced Materials（Nature-index期刊，影响因子29.4）上发表题为“Multi-body Biomarker Entrapment System: An All-encompassing Tool for Ultrasensitive Disease Diagnosis and Epidemic Screening”的文章，实现了一种具有通用性生物分子检测能力的生物分子诱捕系统，用于子宫内膜异位症临床诊断，猴痘病毒抗原检测以及三阴性乳腺癌循环肿瘤DNA的高灵敏定量检测。

碳基晶体管型生物传感器具有高度集成、高灵敏度、低成本和快速响应的特点，被视为下一代医学检测的潜在候选者，展现出重要的商业化潜力。然而，常规的生物传感器在捕获特定分析物的转导能力方面存在限制。这一限制主要源于探针形貌不理想、有效密度较低以及非特异性吸附，从而影响识别位点与目标分析物的相互作用。此外，在全球公共卫生领域，广谱疾病的有效检测至关重要，包括传染性疾病如SARS-CoV-2和猴痘病毒，以及非传染性疾病如癌症。因此，传感器的设计需要考虑多功能性，能够快速全面地筛查海关和公共交通枢纽中的疫情，并及时对可能造成广泛危害的疾病进行临床诊断。

受到自然界生物的启发，本研究模仿双头蛇特征开发了一种生物分子诱捕系统（Biomolecular Entrapment System, BioES）。该系统由碳纳米管晶体管、四面体DNA纳米结构、Y形核酸悬臂和具有生物识别能力的结合位点组成，具有强大的生物分子捕获能力。基于BioES，本研究实现了对子宫内膜异位症生物标志物ERβ的超灵敏定量，检测限可低至6.74 aM。通过核酸架构工程，本研究探索了不同BioES构型对ERβ识别的机制。在临床实验中，BioES表现出对子宫内膜异位症患者和卵巢囊肿患者具有明显的响应区分度。该系统为子宫内膜异位症的标准化诊断方案开辟了新的途径。

BioES结构图及子宫内膜异位症临床诊断流程

此外，研究将BioES平台从多体进化为多位点模式，通过在不同的识别位点修饰两种抗体Clon 19和Clon 43，首次实现了对猴痘病毒抗原蛋白A35R的超灵敏检测。双重识别位点的协同作用和增强的识别效率使得BioES能够在血清中特异性地识别A35R，检测限降低至991 aM。此外，研究展示了多位点BioES在核酸检测和早期癌症筛查中的实际应用。通过对核酸结合位点的修饰，BioES能够以低至0.21 aM的检测限在血清中捕获与三阴性乳腺癌相关的循环肿瘤DNA（ctDNA）。BioES的研究不仅为临床医学领域带来了重要进展，同时也为全球公共卫生领域的流行病监测和疾病防控提供了新的工具和方法。

猴痘病毒抗原蛋白及循环肿瘤DNA超灵敏检测

该工作由北京大学信息工程学院、深圳湾实验室坪山生物医药研发转化中心、北京大学化学生物学与生物技术学院、深圳市人民医院合作完成。论文通讯作者为北京大学信息工程学院张敏副教授、深圳湾实验室坪山中心张亚萍助理研究员、深圳市人民医院妇科主任医师叶喜阳。信息工程学院2020级硕士生任沁琦，化学生物学与生物技术学院2020级博士生姜乐盈为共同第一作者，北京大学化学生物学与生物技术学院教授李子刚、深圳湾实验室坪山生物医药研发转化中心研究员尹丰、信息工程学院博士后马珅慧、化学生物学与生物技术学院博士生邢韵、暨南大学第二临床医学院硕士生李彤、信息工程学院硕士生祝洋、邱睿也做出了重要贡献。

上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会基础研究项目、国家生物药技术创新中心创新项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202304119