《Biosensors and Bioelectronics》：Peptide-responsive photonic hydrogels integrated with deep learning assistance for early MMP-9 detection
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基于光子晶体/PEG-M9SP水凝胶的快速检测系统，结合智能手机和深度学习算法，实现10分钟内高灵敏度（10.60 nm·mL/ng）和低检测限（0.62 ng/mL）的MMP-9定量与可视化检测，经ELISA验证准确可靠，适用于临床和便携式诊断。
王艳|刘明毅|刘旭芳|郝东晓|王玉珠|蔡云帆|李静|苗晓宇|张一帆|杨晓健|白永康|王晨|Franklin R. Tay|Conrado Aparicio|赵瑶|牛琳娜
中国第四军医大学口腔医学院修复学系，口腔颌面重建与再生国家重点实验室，口腔疾病国家临床研究中心，陕西省口腔医学重点实验室，西安710032
摘要
基质金属蛋白酶-9（MMP-9）对细胞外基质的重塑至关重要，其失调与炎症性疾病和多种类型的癌症有关。传统的MMP-9检测方法（如酶联免疫吸附测定法ELISA）受到复杂性、昂贵设备以及较长抗体孵育时间的限制，这些因素阻碍了其在即时检测中的应用。为此，开发了一种对MMP-9具有响应性的光子晶体（PC/PEG-M9SP）水凝胶。该水凝胶通过迈克尔加成反应由二丙烯酸酯-聚乙二醇和MMP-9敏感肽合成。当MMP-9特异性酶切作用发生时，水凝胶会发生结构重组，从而产生明显的颜色变化。结合基于深度学习的智能手机应用程序，该平台可在10分钟内实现视觉和定量检测，具有高灵敏度（10.60 nm·mL/ng）和0.62 ng/mL的检测限。在复杂生物流体中的验证表明，该水凝胶与ELISA结果高度一致，证实了其分析可靠性。这一系统为准确检测MMP-9提供了一种快速、便携且经济有效的解决方案，在临床和即时检测中具有巨大潜力。
引言
基质金属蛋白酶9（MMP-9）是一种依赖锌的内肽酶，对细胞外基质的重塑和细胞功能的调节至关重要（Laronha和Caldeira 2020）。MMP-9的失调参与了多种炎症性疾病和不同类型癌症的发病机制（Baugh等人，1999；Halade等人，2013；Li等人，2020；Roy等人，2009）。在炎症状态下，MMP-9会降解基底膜成分（如IV型胶原和层粘连蛋白），从而促进免疫细胞浸润、调节细胞因子活性并导致慢性组织损伤（Halade等人，2013；Luchian等人，2022；St-Pierre等人，2004）。在肿瘤微环境中，MMP-9促进基底膜破坏，使癌细胞侵袭和转移，并激活血管内皮生长因子以加速新血管生成和肿瘤进展（Roy等人，2009）。由于其在疾病病理学中的核心作用，MMP-9已成为一种有价值的体液生物标志物（Rangasamy等人，2019）。例如，尿液中MMP-9水平升高与膀胱癌和乳腺癌相关（Pories等人，2008；Sier等人，2000），而唾液中的MMP-9可作为牙周炎和类风湿性关节炎的标志物（Arvikar等人，2021；Lahdentausta等人，2018）。因此，快速、灵敏地检测MMP-9对于早期诊断和有效监测炎症性疾病及肿瘤疾病至关重要。尽管MMP-9在临床上具有重要意义，但传统的检测方法（如ELISA和免疫印迹）受到复杂操作流程、高成本、长时间检测以及有限灵敏度的限制（de la Serna等人，2018；Ricci等人，2016）。最近在比色法、荧光法和表面增强拉曼光谱学方面的进展试图解决这些问题。然而，这些方法仍依赖于复杂的样品制备过程，容易受到环境干扰，并需要精密的实验室设备，这限制了它们在即时检测（POCT）中的应用（Alekhmimi等人，2023；Dadmehr等人，2023；Liu等人，2023；Xiang等人，2023）。因此，迫切需要一种灵敏、可靠且易于使用的生物传感器，以支持MMP-9相关疾病的即时检测（Zhuang等人，2023）。
基于光子晶体（PC）的生物传感器利用周期性纳米结构产生光子带隙，将局部介电变化转化为可见的颜色变化（Li等人，2022）。PC界面处的生化相互作用会改变有效折射率，产生与分析物浓度成比例的波长变化（Inan等人，2017）。光子晶体在生物传感方面具有优势，因为它们成本低、响应速度快且灵敏度高。然而，传统的PC生物传感器通常依赖于静电或共价结合机制，这些机制缺乏选择性，容易受到干扰，并且制备过程繁琐（Kou等人，2021；Lu等人，2023；Qin等人，2020；Stumpel等人，2015）。为了克服这些限制，可以将酶响应性肽序列整合到水凝胶基质中。这样的设计赋予了目标特异性，简化了功能化过程，并通过酶切实现动态信号转导。通过将这些肽纳入PC水凝胶，分子识别事件可以转化为适合视觉检测的宏观比色读数（Hu等人，2012；Sobczak 2022；Zhang等人，2021）。
基于这一设计概念，我们开发了一种PC复合水凝胶（PC/PEG-M9SP），以解决即时检测中的三个关键问题。首先，MMP-9特异性肽交联剂创建了一种蛋白酶控制的“结构识别”机制，确保仅在目标酶激活时发生特异性切割（Bracher等人，2013）。其次，PEG基质提供了防污染界面，减少了非特异性吸附，保持了在复杂生物介质中的信号真实性（Hucknall等人，2009）。最后，反蛋白石PC支架通过布拉格-斯内尔衍射将酶触发的纳米级膨胀转化为宏观颜色变化，实现了无需仪器的视觉检测（Lin等人，2022）。这些特性共同构成了一个专为诊断传感设计的材料系统——不同于传统的药物输送平台（Lin等人，2025；Wu等人，2025b；Chen等人，2024；Tianyuan等人，2023）。因此，这项工作将MMP响应性水凝胶从治疗工具转变为诊断设备。我们不仅设计了一种新的控释载体，还引入了一种新型的酶响应性光子水凝胶，作为定量传感平台，这代表了从“治疗载体”到“诊断传感平台”的战略转变。
为了将这一传感原理转化为实用的诊断工具，还解决了两个进一步的问题：（1）从机制上讲，酶切引发的网络应力释放与随后的渗透膨胀之间的协同作用提供了固有的信号放大效应，使得在无标记条件下也能实现高灵敏度。（2）从系统上讲，为了克服常见的即时检测瓶颈（如环境光干扰），我们将水凝胶与基于智能手机的读数系统和专用的深度学习算法相结合（Bai等人，2025；Tabibi等人，2025）。通过仅使用CIELAB颜色空间的a*和b*色度通道，我们的算法有效减轻了光照不一致引起的测量变异性。使用患者样本对临床金标准（ELISA）的验证证实了该集成平台的分析可靠性和实际应用潜力。
体液MMP-9作为早期疾病生物标志物的临床验证
通过易于获取的生物液体（如唾液和尿液）测定MMP-9的浓度，以评估其作为炎症性疾病和肿瘤疾病体液生物标志物的临床效用。选择牙周炎作为炎症性疾病模型，是因为它与口腔炎症和唾液MMP-9水平升高有明确的关联（Kim等人，2020）。选择膀胱癌作为肿瘤模型，是因为它在泌尿系统恶性肿瘤中的临床相关性
结论
总之，我们开发了一种利用MMP-9特异性可切割肽（CGPGG↓LAGGC）的光子水凝胶生物传感器，用于快速准确地检测体液中的MMP-9。该水凝胶通过4臂PEG-DA与肽之间的迈克尔加成反应合成。当MMP-9介导的酶切作用发生时，水凝胶发生网络解离和膨胀，导致光子带隙发生可测量的红移。通过将水凝胶与定制的智能手机比色系统集成
CRediT作者贡献声明
苗晓宇：资源提供。张一帆：资源提供、实验研究。杨晓健：资源提供、概念构思。白永康：写作——审稿与编辑、概念构思。王艳：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源协调、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。王晨：资源提供、数据分析。刘明毅：可视化、数据分析。Franklin R. Tay：写作——审稿与编辑、项目监督、项目管理。刘旭芳：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（82325012）、国家重点研发计划（2022YFC2405900、2022YFC2405901）、口腔疾病国家临床研究中心（LCB202209）、中国博士后科学基金（2024M754272）以及陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-YBQN-0804）的财政支持。
