一种基于高度特异性适配体的结构转换传感器，可用于检测血清中最微量的碱金属离子Li+

《Biosensors and Bioelectronics》：Highly specific aptamer-based structure-switching sensor for detection of the smallest alkali metal ion Li+ in serum

　　

余玉佳｜王进｜杨超｜谭鸿义｜尹继业｜周博婷｜雷洪涛｜郭成贤

中南大学第三湘雅医院临床药理学中心，中国湖南长沙，410013

摘要

碳酸锂是治疗双相情感障碍（BD）的一线药物，由于其治疗窗口较窄（0.6–1.2 mM），需要严格的治疗药物监测（TDM）。现有的方法如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和离子选择性电极（ISE）在复杂样本基质中难以同时满足床旁检测（POCT）的需求和减少干扰。本研究通过Capture-SELEX策略分离出一种高特异性的Li⁺ DNA适配体（Li-1），并构建了一种灵敏的结构切换荧光传感器。利用等温滴定量热法（ITC）和圆二色光谱（CD）对其分子识别过程进行了热力学和结构分析，发现Li-1与Li⁺的结合主要由“焓驱动”的构象重排决定。基于5-羧基 fluorescein（FAM）标记的DNA链置换策略，该传感器实现了6.2–60 μM的动态线性响应，检测限（LOD）为1.8 μM。该传感器对Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺没有明显的交叉识别。加标回收率在88.76%到102.33%之间。在临床BD患者血清的双盲测试中，该方法与临床金标准ICP-MS的结果具有很强的统计一致性（Pearson’s r > 0.92）。这项工作开发了一种针对最小碱金属离子Li⁺的DNA适配体，为精神病学实践中的床旁血液锂监测提供了一种高度特异性和灵敏的方法。

引言

双相情感障碍（BD）是一种严重的精神疾病，主要用碳酸锂治疗（Hui et al., 2019）。由于其狭窄的治疗窗口（0.6–1.2 mM）以及接近导致神经和肾损伤的毒性水平（>1.5 mM）（Geddes et al., 2004），严格的治疗药物监测（TDM）对患者安全至关重要。

目前，临床血液锂的定量主要依赖于电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）（Liang and Zhu, 2024; Sheikh et al., 2022）。尽管这项技术可以提供精确的定量结果，但其笨重的设备和复杂的样品预处理程序无法满足精神科病房或初级医疗机构对床旁检测（POCT）的迫切需求（Sheikh et al., 2022）。为此，已经开发了微芯片毛细管电泳（MCE）（Vrouwe et al., 2007）。然而，MCE系统通常需要高电压电源，并且容易因血清蛋白的吸附而堵塞微通道，从而限制了其在临床环境中的操作稳定性（Pascali et al., 2010）。另一方面，离子选择性电极（ISE）（Lyu et al., 2021）和基于配位的光学或界面传感方法（如冠醚和酞菁衍生物）（Chen, Y, 2025; Kim and Koo, 2022）也被尝试用于Li⁺的检测。然而，这些技术依赖于载体或探针的“空间尺寸匹配”。面对真实临床血清中的高浓度生理钠离子（Na⁺），它们往往表现出不足的特异性，导致信号漂移和假阳性反应（Lyu et al., 2021）。此外，血清中的复杂成分（如脂质和蛋白质）会影响探针的界面稳定性或引发非特异性的光学信号淬灭（基质效应）（Zhu et al., 2015）。因此，现有的传统检测技术在复杂基质中难以同时实现POCT的便携性和高特异性。开发能够在复杂生理基质中实现高灵敏度定量的识别元件是推进临床血液锂POCT的重要方向。

近年来，生物大分子受体（如抗体和酶）作为高特异性识别元件在金属离子检测中受到了广泛关注。然而，自由单价Li⁺的特异性识别面临 unique 挑战。传统的免疫学方法在识别复杂大分子方面表现出色，但Li⁺的水合半径小且缺乏明显的三维表位，由于其低免疫原性，制备相应抗体非常困难（Zhou et al., 2017）。其次，依赖特定辅因子的DNA酶已被成功应用于Li⁺的检测（Lu et al., 2003; McGhee et al., 2021）。然而，它们的信号输出通常依赖于不可逆的催化底物裂解反应，这在一定程度上限制了它们在依赖非破坏性构象变化的传感系统中的应用。

相比之下，适配体易于合成且稳定性良好（Liu et al., 2009），还可以为多种传感平台提供更灵活的信号转导策略（Nutiu and Li, 2003）。目前，适配体已广泛应用于重金属离子（如Hg²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺）的检测（Li et al., 2010; Ono and Togashi, 2004; Wang et al., 2024）。然而，使用单链核酸特异性结合自由Li⁺仍然是一个挑战。这在热力学上具有挑战性：Li⁺缺乏配位方向性，识别它需要克服来自生理Na⁺的强烈静电屏蔽，并提供足够的结合焓来破坏稳定的Li⁺水合壳（标准水合焓约为?519 kJ/mol）（Marcus, 1991）。因此，迄今为止，尚未有报道能够特异性结合Li⁺的DNA适配体。

本研究旨在分离出针对Li⁺的特异性适配体，并建立一种简单的基于适配体的血液锂检测传感器。首先，通过Capture-SELEX策略获得了具有高负选择压力的Li⁺特异性核酸适配体（Li-1）。然后，利用圆二色光谱（CD）分析了适配体结合前后的二级结构变化，并结合等温滴定量热法（ITC）来确定这一识别过程的热力学特性。随后，进一步构建了基于DNA链置换策略的结构切换荧光传感系统。评估了该方法的灵敏度和特异性，并验证了其与临床金标准（ICP-MS）在检测血清样本时的一致性。本研究首次成功建立了一种基于生物分子识别的、高度特异性和灵敏的血液锂检测方法，满足了临床床旁检测（POCT）的需求。

章节片段

材料与试剂

本研究使用的材料、试剂和寡核苷酸的详细信息见补充材料（S1）。

仪器与设备

本研究使用的分析仪器的详细信息见补充材料（S2）。

SELEX

Li⁺特异性DNA适配体的选择采用了基于库固定的Capture-SELEX策略（Boussebayle et al., 2019）。整个选择过程使用了以下选择缓冲液：10 mM MES·HCl、5 mM KCl、2 mM MgCl₂和1 μM EDTA。

Li⁺适配体的选择与鉴定

经过16轮Capture-SELEX筛选后，对最终富集的库进行了高通量下一代测序（NGS）。结果显示库内序列有明显的收敛趋势（图1A），其中前10个最丰富的序列占测序读数的较大比例。其中，Li-1序列的丰度最高，达到62.0%；Li-2序列的丰度为25.2%。

结论

本研究首次分离出了一种高度特异性的核酸适配体（Li-1），用于靶向Li⁺。通过结合3 kDa超滤预处理以消除血清基质效应，我们成功构建了一种结构切换荧光传感系统。该方法能够高度灵敏地定量自由Li⁺（检测限为1.8 μM），即使在1000倍Na⁺/K⁺干扰背景下仍保持高度的靶标特异性，有效避免了

CRediT作者贡献声明

余玉佳：概念构思、数据整理、形式分析、研究、方法学、初稿撰写、审稿与编辑。王进：形式分析、研究、方法学。杨超：形式分析、研究。谭鸿义：形式分析、研究。尹继业：形式分析、研究。周博婷：形式分析、研究。雷洪涛：概念构思、监督、初稿撰写、审稿与编辑。郭成贤：

利益冲突声明

作者声明与本文的发表不存在财务利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：82574507）、富荣实验室的科学研究计划（编号：2025PT5029）、中南大学第三湘雅医院的智慧积累与人才培养项目（编号：YX202110）以及2024年富荣高端健康人才计划的支持。