《Advanced Science》：Innovative Metasurface Colorimetric Cell-on-a-Chip Sensor for Continuous, Label-Free, Non-Destructive Assessment of Intestinal Barrier Dynamics
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本刊推荐：本研究成功开发了一种基于超表面等离子体共振比色传感器（MetaSPRCS）的细胞芯片系统，实现了对肠道屏障功能的实时、无标记、高通量评估。该技术通过集成纳米光子超表面与人工智能图像处理，可在72小时内连续监测细胞粘附、增殖、屏障形成及损伤修复全过程，灵敏度较传统CCK-8法提升2倍。研究首次建立体外-体内剂量转化关联，为精准营养和药物研发提供了新技术范式。
1 引言
肠道屏障作为人体重要生理屏障，其完整性评估对研究肠道疾病和药物开发至关重要。传统评估方法如MTT法、乳果糖/甘露醇试验等存在细胞毒性强、实时性差等局限。超表面等离子体共振（MetaSPR）技术凭借其纳米结构设计优势，可实现对生物分子相互作用的高灵敏度检测，但此前缺乏针对细胞行为分析的系统研究。
2 结果与讨论
2.1 可视化MetaSPRCS芯片的制备与性能验证
通过纳米压印光刻和电子束蒸发技术，成功制备金基（PMSPR）和金-银复合（CMSPR）两种MetaSPR芯片。扫描电镜显示纳米杯阵列结构均匀，在甘油溶液中表现出显著的折射率敏感性。其中PMSPR芯片在红色通道的响应变化最为显著，更适合成像平台应用。
2.2 人工智能增强的数据处理
研究采用经重新训练的Segment Anything Model（SAM）算法，构建端到端图像处理流程。通过背景校正和细胞分割，实现单细胞精度的等离子体共振信号提取，生成可动态反映细胞行为的热图。
2.3 细胞仿生芯片开发与生命周期监测模型建立
通过筛选表面修饰材料，发现聚乙烯亚胺（PEI）修饰的芯片能显著促进Caco-2细胞粘附。优化细胞接种密度为2×104个/孔时，可获得最佳信号稳定性。实时监测显示细胞屏障在72小时内完全形成，SPR信号达到稳定阈值。
2.4 酒精诱导肠道屏障损伤评估
在乙醇梯度浓度（0.3%-10%）实验中，2.5%乙醇即可引起显著细胞损伤（p<0.01），而传统CCK-8法仅能检测5%以上浓度的损伤。对10种市售白酒的评估发现，国窖1573引起的细胞损伤显著高于牛栏山等品牌（p<0.0001）。
2.5 DHQ修复功效评价
二氢槲皮素（DHQ）在20-50 μM浓度范围内呈现剂量依赖性修复作用。20 μM DHQ可部分逆转2.5%乙醇引起的损伤（p<0.05），30-50 μM实现显著修复（p<0.0001）。相关性分析显示MetaSPRCS与CCK-8法结果高度一致（R2=0.8810）。
2.6 动物实验验证
小鼠实验证实DHQ（20-80 mg/kg）可改善酒精引起的结肠缩短（p<0.05），上调紧密连接蛋白（ZO-1、Occludin）表达，降低血清ALT、AST水平（p<0.01）。体外-体内相关性分析显示MetaSPRCS平台能有效预测DHQ的修复剂量。
3 结论
本研究建立的MetaSPRCS平台突破了传统检测方法在实时性和灵敏度方面的限制，为肠道屏障研究提供了高通量、可视化的新工具。该技术未来可扩展用于肠道类器官等复杂模型研究。
4 实验方法
芯片采用锥形纳米柱阵列模板（顶径100 nm，底径200 nm，高500 nm）通过紫外固化转印制备。细胞实验使用Caco-2细胞系，在PEI修饰的96孔芯片板上培养。实时监测通过WeSPR?细胞分析仪每15分钟扫描一次。动物实验采用C57BL/6小鼠，通过灌胃给予52%vol白酒（2 g/kg）建立酒精性损伤模型。
