利用经碘化修饰的小分子表面等离子体共振生物传感器实现无标记检测碘化造影剂过敏反应

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Label-Free Discrimination of Iodinated Contrast Media Hypersensitivity Using an Iodinated Small-Molecule Modified Surface Plasmon Resonance Biosensor

　　

Jiali Tai|Mengsi Sun|Yilun Feng|Songfeng Huang|Xiaoqi Dai|Jiajie Chen|Junle Qu|Yuye Wang|Yonghong Shao

教育部与广东省光电子器件与系统重点实验室，深圳大学物理与光电子工程学院，中国深圳518060

摘要

碘造影剂（ICM）在诊断和介入成像中得到广泛应用，但由于其不可预测性和潜在的严重性，与使用相关的过敏反应仍然是一个主要的临床挑战。尽管在临床上非常重要，但目前尚无基于血清的诊断方法或机制研究能够可靠地识别对ICM过敏的患者。在这项工作中，我们报道了一种无标记的生物传感策略，利用表面等离子体共振（SPR）生物传感器和碘化小分子来区分对ICM过敏的血清。具体来说，构建了一种碘己醇修饰的葡聚糖传感器芯片，用于捕获可能对ICM产生反应的血清成分，从而实现实时监测血清与表面的结合事件。在过敏和非过敏血清之间观察到了不同的SPR响应模式，从而可以清晰地区分这两组。使用人血清白蛋白和商业人IgE进行的对照实验确认，这种差异响应不能归因于非特异性蛋白质吸附或总IgE的结合，这表明涉及与ICM过敏相关的特定血清因子。所提出的SPR传感方法提供了一种稳健且可重复的方法，用于在无需标记或复杂样品处理的情况下区分血清中的ICM过敏。这项工作为体外筛选ICM过敏提供了可行的途径，并为进一步阐明其潜在的病理生理机制提供了工具。

引言

碘造影剂（ICM）在基于X射线的诊断成像中得到广泛使用，全球每年进行的检查超过7500万次[1]。ICM的应用能够清晰地区分各种身体组织，从而提高疾病的诊断准确性[2]。虽然大多数ICM注射耐受性良好[3]，但仍可能发生从轻微皮肤症状到严重过敏反应（HSRs）的情况，在极少数情况下甚至可能危及生命[4]。这些反应的不可预测性，特别是在老年患者和有多种合并症的患者中[4]，构成了一个重要且不断发展的临床挑战[5]、[6]。

根据现有的机制[1]、[7]、[8]，ICM引起的过敏反应通常被分为类似过敏的反应和生理反应。最近的研究集中在ICM的类似过敏反应特性上[6]、[8]、[9]、[10]、[11]。尽管ICM过敏的精确分子机制尚未完全了解，但越来越多的证据表明，免疫球蛋白E（IgE）相关的免疫过程可能是一部分即时过敏反应的原因，尤其是在严重情况下，而轻度至中度的反应通常通过非IgE依赖的途径介导[12]、[13]、[14]、[15]。这些发现加深了我们对ICM过敏机制的理解。Lasser, E.C.提出ICM的毒性特征与IgE抗体-抗原驱动的过敏反应相似，这一观察得到了实验证据的支持——ICM诱导的组胺释放在体外模型（例如细胞培养系统）和体内研究（例如动物模型）中都得到了一致证实，突显了这一过程作为ICM相关类似过敏反应的核心机制[16]、[17]。

从诊断的角度来看，仍然缺乏可靠的体外方法来识别ICM过敏。目前的临床方法，包括皮肤测试和药物激发测试，存在潜在的风险和有限的预测价值。对于包括过敏性休克在内的严重即时过敏反应，嗜碱性粒细胞活化测试（BAT）是一个特别有价值的替代方法，因为在这种情况下不允许进行皮肤测试和药物激发测试[18]。传统的免疫测定方法，如酶联免疫吸附测定（ELISA），已被用于检测与造影剂相关的抗体，但这些方法通常需要标记、漫长的孵育步骤和大量的样品处理，这限制了它们在快速或常规筛查中的实用性[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。

表面等离子体共振（SPR）生物传感技术提供了一种实时且无标记的方法来监测生物分子相互作用，并已广泛应用于基于血清的分析中。特别是，SPR非常适合探测复杂生物样本中的弱或异质结合事件。在这项研究中，我们实验室之前开发的一种相位敏感的SPR成像系统被用作一个稳健的转导平台，以支持血清水平的传感实验[24]、[25]。

在这里，我们报道了一种基于SPR的生物传感策略，通过将碘化小分子修饰的传感器表面与稳定的相位敏感SPR成像平台相结合，用于区分ICM过敏的血清。设计了一种碘己醇修饰的葡聚糖芯片，用于捕获与ICM相关的血清成分，从而能够比较分析过敏和非过敏血清。这项工作证明了无标记、基于表面的传感方法用于ICM过敏筛查的可行性，并为进一步开发体外诊断和机制研究工具奠定了基础。

章节片段

材料

ICM过敏患者的血清来自西安宝仕华医院、圣井医院和焦作第二医院。16-巯基十六醇（Frontier Specialty Chemicals）、乙醇、氢氧化钠（Aladdin）、环氧氯丙烷（Aladdin）、溴乙酸（Aladdin）、葡聚糖（Pharmacosmos）、碘己醇（Yuanye）、过碘酸钠（Aladdin）、乙二醇（Aladdin）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（Aladdin）、N-羟基琥珀酰亚胺（Aladdin）、乙二胺硫酸盐（Aladdin）

CMDI生物芯片的表面表征

采用X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）对传感表面进行了表征，以验证葡聚糖芯片表面碘分子的修饰是否成功。如图2a所示，全范围XPS扫描谱清晰地显示了四个不同的特征信号，分别对应于Au 4f、I 3d、S 2p和C 1s轨道。这表明修饰后的表面存在含碘物种

讨论

在这项工作中，在SPR传感器芯片上构建了一个葡聚糖-碘己醇修饰的表面，以特异性识别与碘造影剂过敏相关的血清成分。葡聚糖基质提供了一个富含活化羧基的三维亲水支架，有效抑制了大量血清蛋白在金膜上的非特异性吸附，从而提高了检测的信噪比。通过后续的醛-胺反应

结论

对碘造影剂的过敏是一个重要的临床问题，因为它有可能引起严重的不良反应。随着ICM在诊断成像中的使用日益增加，对可靠的体外检测和机制研究的需求变得越来越迫切，而目前可用的分析工具仍然有限。在这项研究中，开发了一种与相位敏感SPR传感平台结合的碘己醇修饰的葡聚糖芯片，用于无标记检测

CRediT作者贡献声明

Yuye Wang：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。Yonghong Shao：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。Songfeng Huang：研究。Xiaoqi Dai：研究。Jiajie Chen：资金获取。Junle Qu：资金获取。Jiali Tai：撰写 – 原始草稿，方法学，研究，数据管理，概念化。Mengsi Sun：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62275164, 62275168, 62204253, T2421003）；广东省科技厅项目（2023B0101200003, 2021QN02Y124, 2023A1515012250, 2023ZDZX2052）；国家重点研发计划（2022YFA1206300, 2024YFF0726004）；深圳市科技创新与发展基金会（JCYJ20250604181533044, JCYJ20230808104901003）；深圳市光子学重点实验室的支持

Jiali Tai目前正在深圳大学攻读博士学位。她之前在湖北大学获得了学士和硕士学位。她目前的学术兴趣集中在表面等离子体共振传感领域。