研究人员开发了一种可以在单分子水平上检测阿尔茨海默病生物标志物的血液测试方法，从而实现更早、非侵入性的诊断。这种方法利用了细胞外囊泡（EVs）作为关键载体。
目前，确诊阿尔茨海默病仍然依赖于昂贵的神经影像学检查或通过腰椎穿刺提取脑脊液。然而，病理变化早在症状出现前数年便已开始，在微观层面上表现为错误折叠的蛋白质和退化的神经元。这些变化虽然难以察觉，但会留下分子痕迹。挑战在于如何在不采用侵入性程序的情况下检测到这些早期信号。如果能从常规血液样本中识别这些生物标志物，将是一个重大突破。
这一思路推动了寻找可靠且可及的基于血液的阿尔茨海默病标志物的努力。该疾病的核心特征是β-淀粉样蛋白斑块和tau蛋白缠结的积累，研究人员集中精力在血浆中检测这些蛋白片段。目前已开发出多种方法，包括免疫测定法、拉曼光谱和晶体管传感器等，但大多数技术在三个方面存在不足：无法检测低丰度蛋白质、难以同时分析多个标志物，以及通常过于缓慢或昂贵而不适用于实际场景。
血液本身的复杂性也是一大障碍。循环中的生物标志物被高度稀释，并与其他大量蛋白质混合，使得检测变得技术上极具挑战性，特别是对于像阿尔茨海默病这样的疾病，其早期干预依赖于细微的变化。细胞外囊泡（EVs）——由细胞释放的微小颗粒——提供了一个潜在解决方案。这些囊泡携带来自原始细胞的蛋白质、RNA和其他物质，并可以穿越血脑屏障，将大脑分子信息传递到血液中。因此，它们可能成为阿尔茨海默病进展的微创窗口。
然而，现有的基于EVs的诊断方法通常依赖于神经元衍生的囊泡，而这些囊泡难以分离且数量稀少。相比之下，来自多种脑细胞的血液衍生囊泡更为丰富，如果能够快速且精确地分析其内容物，则可能是一种更好的替代方案。这正是本研究试图填补的空白。
广东以色列理工学院（Guangdong Technion-Israel Institute of Technology）及其合作机构的研究人员开发了一种生物电子传感平台，能够以单分子敏感性检测血液中EVs中的阿尔茨海默病相关生物标志物。该方法整合了两种核心技术：有机电化学晶体管（OECT）和微电极阵列。这种组合允许对与阿尔茨海默病相关的多个生物标志物进行精确、快速和多重检测，为基于血液的常规筛查提供了可能性。
研究团队在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上发表了他们的研究成果（"Clinically Accurate Diagnosis of Alzheimer's Disease via Single-Molecule Bioelectronic Label-Free Profiling of Multiple Blood Extracellular Vesicle Biomarkers"）。
核心创新在于传感器能够检测四种与阿尔茨海默病密切相关的关键蛋白质：Aβ1-40、Aβ1-42、总tau和一种称为p-tau181的磷酸化tau形式。这些蛋白质嵌入或附着在血液中循环的细胞外囊泡表面。为了富集这些囊泡，研究人员使用涂有抗体的磁珠，这些抗体会结合CD63——一种常见于EVs表面的蛋白质。捕获后，囊泡暴露于经过功能化的生物电子传感器上，传感器表面修饰了针对四种阿尔茨海默病相关蛋白质的抗体。
OECT的工作原理是将目标生物分子的存在转化为电信号。当蛋白质与其对应的抗体结合时，它会干扰晶体管有机聚合物层中的离子流动。这种变化改变了电流，测量并解读为正信号。该设计具有极高的灵敏度：设备可以检测到zeptomolar范围内的浓度，相当于样品中仅有的几个分子。这种精度对于早期检测至关重要，因为此时生物标志物的水平仍然非常低。
尽管传感器足够灵敏以检测单个分子，但这并不意味着单个分子的存在足以诊断阿尔茨海默病。临床诊断并非基于某种分子是否存在，而是基于特定生物标志物的浓度是否超过健康个体的典型水平。在此背景下，单分子灵敏度的意义在于让传感器能够在生物标志物水平仍很低时更早地检测到它们。
实际上，诊断依赖于识别几种生物标志物水平的模式，并将其与从临床数据中建立的统计阈值进行比较。例如，在阿尔茨海默病患者中，血液衍生的细胞外囊泡中Aβ1-42和p-tau181的浓度升高现象一致出现，而在健康个体中则未观察到。研究人员利用这些浓度模式——而非单一分子的存在——来区分两组人群。因此，尽管传感器的灵敏度使其能够检测样品中的几十个分子，但它在诊断中的作用是量化每种标志物的数量，并判断其水平是否符合疾病的模式。
为确保特异性，传感器在其电极上使用了混合自组装单分子层来稳定且密集地固定抗体。这种表面修饰有助于防止非特异性结合并提高信噪比。研究人员验证了传感器在所有四种生物标志物上的性能，即使在模拟人体血液组成的复杂生物流体中也表现出强大的选择性和稳定性。
重要的是，该系统仅需15微升血浆即可在20分钟内提供结果。这种快速周转时间和小样本量使该技术与临床工作流程兼容。在涉及40个临床样本的测试中，当使用四种生物标志物的综合面板时，传感器正确分类了所有阿尔茨海默病患者和健康个体。相比之下，单一生物标志物分析的准确性较低，突显了多靶点方法的价值。
进一步分析表明，传感器读数与传统ELISA方法在阿尔茨海默病患者中的结果高度一致。然而，在健康个体中——其生物标志物水平更低——ELISA读数与新传感器的结果显著不同，表明生物电子平台更适合检测微妙的早期变化。
研究还显示，将Aβ1-42与总tau或磷酸化tau结合使用可以提高诊断准确性，优于任何单一标志物。一个使用所有四种生物标志物的模型实现了100%的分类准确率，正确识别了测试队列中的每个样本。这表明整合反映阿尔茨海默病病理不同方面的多个信号——如β-淀粉样蛋白堆积和tau相关的神经元损伤——提供了更可靠的诊断基础。
研究人员强调，尽管该传感器是为阿尔茨海默病检测而开发的，但该平台可以适应其他疾病。由于它靶向EVs携带的分子信号，原则上可以检测与其它神经退行性疾病、癌症或传染病相关的各种生物标志物，如核酸、脂质和代谢物。
这款新型传感器标志着迈向实用型基于血液的阿尔茨海默病诊断的重要一步。它绕过了脑脊液采样的侵入性和神经影像学的复杂性。其在紧凑且经济实惠的形式下提供高灵敏度、多靶点读数的能力，使其成为广泛应用于诊所的候选工具。如果在更大规模的队列中得到验证并标准化用于常规使用，这项技术可以实现更早、更准确的阿尔茨海默病识别，支持及时干预并帮助研究人员更有效地监测疾病进展。
这些发现也为越来越多将EVs视为无创诊断关键角色的研究做出了贡献。它们能够将与疾病相关的分子从大脑运输到血液中，使其在追踪神经系统疾病方面尤为宝贵。通过结合分子生物学、材料科学和电气工程的基础设施，这一诊断平台展示了跨学科方法如何解决医学检测中的长期难题。
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