近日，華東師範大學張閩教授團隊和以色列理工學院Hossam Haick教授合作，采用人工嗅覺實作了尿液中揮發性有機物(VOC)的快速檢測，為無創疾病診斷提供了新途徑。相關成果以題為“Modular Assembly of MXene Frameworks for Noninvasive Disease Diagnosis via Urinary Volatiles”線上發表在國際著名學術期刊ACS Nano。
尿液中含有的多種生化物質是機體代謝後經過腎髒過濾排出體外的最終代謝産物。是以，尿液代謝物可以直接反應機體的病理及生理狀況，是疾病診斷标志物的理想來源。最重要的是，與血液相比，尿液取樣更加友善且對生物體無損害，可大量擷取。同時，尿液由于不受體内穩态機制的控制，進而可以彙集大量的疾病相關代謝物。目前對尿液代謝物的研究主要聚焦于尿液中可溶性代謝物（例如：蛋白質）和揮發性有機物VOC的檢測上，采用的大多數是離線測試技術，如氣質聯用（GC-MS）、液質聯用（LC-MS）等。雖然這些技術已經取得顯著的進展，但這些方法還崩完全适應即時檢測（POCT）的要求。是以，研制能夠實時監測尿液代謝物（特别是VOC）的便攜式傳感器件并發展非入侵式POCT體系，對疾病診斷等領域具有重要意義和應用價值。
圖1：基于配位驅動組裝分層多孔MXene架構（MFs）氣敏材料建構尿液VOC即時檢測平台示意圖
在本項研究工作中，張閩教授團隊建構了一個內建電子鼻的POCT平台。如圖1所示，該平台将化學調控合成的分層多孔MXene架構（MFs）氣敏傳感材料，通過配位驅動子產品組裝到緊湊型雷射雕刻的微型腔體晶片中，用于無線和實時監測尿液中的VOC，進而實作了非入侵式疾病診斷。作為一個概念性的設計，課題組成員将MXene納米片與Zn2+橋接聚多巴胺（PDZn）納米結構結合在一起，采用配位驅動組裝法制備了MF（PDZn@MXene）。實驗證明，通過改變金屬離子種類、化學配體修飾或調控反應順序，可以建構一系列具有不同組成、結構和功能的MFs氣敏傳感材料。利用雷射直寫方法，課題組在聚酰亞胺薄膜上制備了石墨烯叉指電極（LIGIE）。組裝的2×4 LIGIE陣列，負載8種不同的MFs，建構了VOC傳感陣列（如圖2所示）。為了節省空間和提高效益，傳感陣列被固定在一個雷射雕刻的微型腔體晶片中（尺寸為長5.44 cm × 寬4.50 cm × 高0.42 cm），形成負載MFs的微腔晶片式電子鼻（MHMF）（如圖3所示）。MHMF電子鼻作為一個交叉反應傳感裝置，可以實作複雜VOC的即時感覺和模式識别。以MHMF電子鼻作為傳感子產品，課題組進一步通過子產品化組裝，制備了便攜式POCT系統。結合智能手機，該POCT平台可以成功實作無線、實時方式的信号讀取，通過對120例尿樣本中VOC的人工嗅覺感覺及機器學習輔助，該POCT平台成功實作了無創疾病診斷，準确率高達91.7%（如圖4所示）。
圖4. (a，b，c）尿液樣本收集、鼓泡、配置智能手機的便攜式POCT平台；(d) MHMF電子鼻（标準化）熱圖；(e) 健康和患者分類的SVM算法示意圖；(f) 訓練組和測試組中患者與H比較的支援向量機的距離值的箱型圖；(g) 支援向量機分類結果H、DCD、D、LI的混淆矩陣；(h) 支援向量機分析得出的H、DCD、D、LI在檢驗隊列中比較的距離值的箱線圖；(i) 支援向量機算法分類H和DCD、D和LI的ROC曲線。注：健康組（H）、糖尿病組（D）、糖尿病共病抑郁（DCD）、肝損傷（LI）。
總之，本項研究工作通過內建化子產品化組裝MHMF電子鼻，建構了尿液VOC實時、無線監測POCT平台，結合機器學習算法輔助，成功實作了多種疾病的快速、無創、準确診斷，為無創檢測提供了新的解決方案。該項成果的第一完成機關為華東師範大學化學與分子工程學院，碩士研究所學生丁緒銀為論文第一作者，張閩及Hossam Haick教授為論文的共同通訊作者。該項成果得到了國家自然科學基金等科研項目的資助。
來源：華東師範大學
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08266