基于18重光子传感器阵列的血管性血友病快速诊断新方法

《npj Biosensing》：A multi-readout photonic sensor for rapid diagnosis of Von Willebrand disease

本研究针对血管性血友病(VWD)诊断流程复杂、耗时长的问题，开发了一种可同时检测血管性血友病因子(VWF)浓度及其与胶原、FVIII、GP1b结合活性的18重光子环谐振器传感器。该传感器在37例临床样本验证中展现出与标准方法相当的准确性，可将数周诊断时间缩短至3分钟，为VWD快速分型诊断提供新技术方案。

在全球约有1%人群受影响的血管性血友病(Von Willebrand Disease, VWD)诊断领域，医疗工作者长期面临着一个棘手难题：现有诊断技术需要分别检测血管性血友病因子(Von Willebrand Factor, VWF)的浓度含量及其与不同蛋白的结合活性，这一复杂流程导致诊断过程通常需要数周时间，不仅延误治疗时机，还可能增加患者出血风险。这种疾病由于VWF蛋白的质或量异常引起凝血功能障碍，根据病因不同可分为1型（VWF浓度降低）、2型（VWF功能异常）和3型（VWF完全缺失）等多种亚型，其中2型还可细分为2A、2B、2M和2N等亚型。传统诊断需要完成VWF抗原检测(VWF:Ag)、瑞斯托霉素辅因子活性测定(VWF:RCo)、因子VIII活性检测(FVIII:C)以及胶原结合试验(VWF:CB)等一系列独立检测项目。

为解决这一临床痛点，研究团队在《npj Biosensing》上报道了一种创新性的多重生物传感器技术。该研究最引人注目的突破在于开发了一种集成18个光子环谐振器的微型传感器芯片，首次实现了在单次检测中同步测量VWF浓度及其与GP1b受体、因子VIII(FVIII)和胶原蛋白的结合活性。这种被称为"可抛弃光子学"的技术平台，将米粒大小的氮化硅光子集成电路与一次性微流控卡相结合，通过检测生物分子结合引起的共振波长红移来量化分析物浓度和活性。

关键技术方法包括：（1）18重光子环谐振器芯片设计与制备，采用低损耗氮化硅波导和131微米环直径实现高密度集成；（2）GLAM（玻璃层压粘合微流控）卡构建，实现被动泵送流体控制；（3）压电微阵列点样技术，在传感器环上精确功能化抗VWF单克隆抗体、抗FVIII单克隆抗体、人胶原蛋白I、大鼠尾胶原蛋白I和GP1b蛋白等捕获探针；（4）临床验证采用37例经FDA批准方法预分析的单供体人血浆样本进行性能评估。

初始实验建立性能

研究人员首先通过单一样本系列稀释实验验证了传感器的分析性能。如图2所示，所有响应均良好拟合四参数逻辑模型，证实了检测的线性范围。选择1:100稀释比进行后续实验，确保各分析物信号均处于线性检测范围内。对照扣除的时间依赖性红移响应证实了检测的稳定性。

代表性单一样本结果

通过测试已知诊断状态的样本（正常、高、低和2A型VWD血浆），传感器成功区分了健康与VWD样本以及不同VWD亚型。如图3所示，低VWF浓度样本显示所有靶标结合均降低，而高浓度样本则呈现结合增强。特别值得注意的是，2A型样本表现出与正常样本相似的抗VWF单克隆抗体响应，但对GP1b和FVIII的结合活性显著降低，这正符合2A型VWD的病理特征。研究人员还通过合成III型样本验证了FVIII检测的特异性，确认抗FVIII抗体不会与游离FVIII发生交叉反应。

单供体样本结果

在37例单供体血浆样本的评估中，传感器清晰区分了低、正常和高VWF浓度组（图4）。基于抗VWF环的响应与参考标准VWF抗原检测值呈现良好的相关性（Pearson ρ 0.84；Spearman ρ 0.85；R²0.86）。抗FVIII环响应与标准FVIII检测也显示出显著相关性（Pearson ρ 0.79；Spearman ρ 0.82；R²0.66）。虽然传感器基于GP1b、大鼠尾胶原蛋白I和人胶原蛋白I的结合能区分低VWF与正常/高VWF浓度，但在高浓度范围内区分度有限，研究人员认为这与传感器在高VWF浓度下动态范围饱和有关。

研究结论与讨论

这项研究开发的18重光子传感器技术将VWD诊断从需要多日甚至数周的多项检测简化为仅需3分钟的单一检测，在37例临床样本验证中表现出与标准方法相当的准确性。虽然当前传感器在区分2A和2M型VWD亚型以及检测VWF多聚体状态方面存在局限，但为凝血疾病快速诊断提供了全新平台。研究人员指出，未来可进一步整合酶活性检测功能（如ADAMTS13检测），从而提供更全面的凝血病理信息。该传感器平台的规模化生产能力已得到验证，为临床转化奠定基础，有望显著改善VWD患者的诊断体验和治疗效果。