《Biosensors and Bioelectronics》：A dual-module molecularly imprinted polymer-based cellular electrochemical sensing platform for multiplexed profiling of purine metabolites
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张淑萌|赵明|王志忠|唐大伟|王芳珍|杨阳|黄佩|江学燕|张东阳|何根中国广州市511436，广州医科大学药学院，国家药品监督管理局分子靶点与临床药理学重点实验室、呼吸系统疾病国家重点实验室摘要同时定量多种结构相似的嘌呤，包括鸟嘌呤（G）、黄嘌呤（X）、腺嘌呤（A）和次黄嘌呤（H
张淑萌|赵明|王志忠|唐大伟|王芳珍|杨阳|黄佩|江学燕|张东阳|何根
中国广州市511436，广州医科大学药学院，国家药品监督管理局分子靶点与临床药理学重点实验室、呼吸系统疾病国家重点实验室
摘要
同时定量多种结构相似的嘌呤，包括鸟嘌呤（G）、黄嘌呤（X）、腺嘌呤（A）和次黄嘌呤（H），仍是电分析学和代谢组学领域的一个核心挑战。为解决这一问题，研究人员开发了一种空间分辨的双模块细胞电化学平台（GA/XH-DMCEP）。该平台的核心创新在于在材料和系统层面协同整合了两类互补策略：一种是“精确单独印迹后再进行功能复合”的方法，用于制备具有正交识别能力的双模板分子印迹聚合物（MIP）复合材料，从而实现鸟嘌呤和次黄嘌呤对的同时检测；另一种则是双工作电极的“空间信号隔离”架构，为每对嘌呤分配独立的信号采集通道。这一设计有效避免了电化学信号的重叠，将复杂的响应转化为四种独立且可同时量化的信号。GA/XH-DMCEP具备高灵敏度、高选择性和稳定性，可用来对人乳腺腺癌细胞（MCF-7）中的嘌呤水平进行多重定量分析。当用于检测基因毒性物质乙基甲磺酸酯的代谢影响时，该平台能够揭示出嘌呤特有的代谢特征，即在亚细胞毒性剂量下细胞内鸟嘌呤和黄嘌呤的水平会优先下降，而这种变化是单参数检测方法无法发现的。这项工作为多重化化学传感提供了可推广的系统级设计策略。
引言
嘌呤代谢物，包括鸟嘌呤（G）、黄嘌呤（X）、腺嘌呤（A）和次黄嘌呤（H），能够反映细胞的整体代谢活动（Milenkovic等人，2025年）。同时定量这四种代谢物对于多参数代谢表型分析至关重要（Sun等人，2024年）。然而，这一分析目标仍然面临巨大挑战，使得生物学需求与技术能力之间存在较大差距。现有的技术手段，如高效液相色谱法和质谱法，虽然具有较高的选择性，但属于串联操作模式，需要通过物理或时间上的分离来处理不同的分析物（Bort等人，2022年；Cui等人，2018年；Grochocki等人，2019年）。这就限制了分析效率，使得同时定量变得极为困难（Abdi等人，2024年）。此外，繁琐的样品预处理过程还可能干扰细胞的自然代谢状态（Lu等人，2024年）。因此，迫切需要能够直接、同时定量嘌呤代谢物的检测方法，以便实现多参数的代谢分析。
电化学传感方法简单、快速且无需标记物，能够在复杂基质中直接进行分析（Liu等人，2025年；Ouyang等人，2024年；Yang等人，2021年）。它具备直接、同时检测的能力，这一优势尤为突出（Hang等人，2019年；He等人，2018年）。然而，由于鸟嘌呤、黄嘌呤、腺嘌呤和次黄嘌呤的氧化电位极为接近，在传统电极上会导致严重的峰重叠现象（Liu等人，2024a年），这使得无法实现独立定量，最多只能得到半定量的总嘌呤信号。此前的尝试，如通过酶修饰或改变pH值等方法，虽然能在一定程度上解决问题，但往往会在稳定性或系统复杂性方面带来新的问题（Avan等人，2024年；Levy-Lior等人，2010年；Liu等人，2024b年；Song等人，2024年；Xu等人，2015年）。这一长期存在的难题源于两个核心问题：首先，氧化电位的重叠使得特异性识别变得十分困难（Ding等人，2024年；Zhou等人，2018年；Zhou等人，2019年）；其次，传统的“混合信号传输”方式会将部分差异化的信号重新组合在一起（Ouyang等人，2022年）。这两重限制使得在传统电化学系统中同时检测这四种嘌呤几乎不可能实现。
分子印迹聚合物是一种极具应用价值的可设计材料，可用于构建具有选择性的识别界面（Hu等人，2024年；Li等人，2025年；Yang等人，2024年）。它们的选择性源自于其内部与目标分子的大小、形状及功能基团相匹配的合成腔结构（Holthoff等人，2007年；Samuel等人，2022年；Sengar等人，2024年）。然而，对于结构相似的嘌呤而言，传统的一锅法多模板合成方法往往难以奏效（Bhogal等人，2021年；Masque等人，2001年），这是因为这些嘌呤之间存在竞争性结合以及交叉反应现象（Chen等人，2020a年；Wang等人，2019年；Wei等人，2016年）。
为突破这两重障碍，我们提出了一种空间分辨的双模块细胞电化学平台（GA/XH-DMCEP），该平台通过在材料和系统层面协同整合两种策略来实现目标：一种是“精确单独印迹后再进行功能复合”的方法，用于制备具有正交识别能力的双模板MIP复合材料；另一种则是双工作电极的“空间信号隔离”架构，为每对嘌呤分配独立的信号采集通道。这样的设计确保了鸟嘌呤对和次黄嘌呤对所产生的电化学信号从分子识别阶段到最终数据读取阶段都完全相互隔离，从源头避免了系统级的串扰现象。
通过这种协同作用，原本重叠的响应被转化为四种清晰且可量化的信号，这一成果此前尚未有报道。该平台具有高灵敏度、高选择性和良好的稳定性，不仅能够实现对细胞裂解液中的嘌呤进行多重定量分析，还能捕捉细胞的代谢状态变化。在检测乙基甲磺酸酯时，该平台能够发现亚细胞毒性剂量下鸟嘌呤和黄嘌呤水平会优先下降，而这种变化是单参数检测方法无法检测到的。因此，该平台为毒理学研究和药物发现中的高内容表型分析提供了可靠的工具。
章节节选
试剂
鸟嘌呤（G）、黄嘌呤（X）、腺嘌呤（A）、次黄嘌呤（H）、尿酸、胞嘧啶、谷氨酸、赖氨酸和组氨酸均购自Sigma-Aldrich公司。甲基丙烯酸（MAA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、偶氮二异丁腈（AIBN）以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）则购自Aladdin公司。带有羧酸功能基的多壁碳纳米管则来自南京XFNANO公司，其他溶剂则购自国药集团。甲基丙烯酸、EGDMA、乙腈和甲苯均经过蒸馏处理，而AIBN则
GA/XH-DMCEP的设计与多功能嘌呤检测原理
一个主要的挑战在于鸟嘌呤、黄嘌呤、腺嘌呤和次黄嘌呤的电化学信号存在严重重叠，这使得使用传统的三电极系统难以实现同时定量（见图1a和图1b）。为解决这一问题，我们开发了一种能够区分并独立定量每种嘌呤的检测方法。GA/XH-DMCEP采用了空间分辨的双模块设计策略（见图1c）。与那种会导致竞争性结合的一锅法多模板印迹技术不同，
GA/XH-DMCEP的设计思路与核心创新点
由于这四种嘌呤的氧化信号存在重叠，因此同时定量它们是一项极具挑战性的任务。我们的GA/XH-DMCEP通过协同整合双工作电极技术和多模板MIP技术来克服这一难题——此前尚未有研究将这两种技术用于四种结构相似的嘌呤的分析。具体而言，该平台在系统层面整合了两种相互配合的策略：第一种是“精确单独印迹后再进行功能复合”的策略，这一策略可以有效避免
结论
总之，我们成功开发了一种空间分辨的双模块细胞电化学平台（GA/XH-DMCEP），该平台能够同时定量四种结构相似的嘌呤代谢物（鸟嘌呤、黄嘌呤、腺嘌呤和次黄嘌呤）。这项工作的创新之处在于其系统级的整合设计，通过将“精确单独印迹后再进行功能复合”的材料设计策略与硬件层面的空间隔离架构相结合，有效解决了原本就存在信号重叠的问题
CRediT作者贡献说明
张东阳：实验验证、项目监督。 何根：结果可视化、项目管理、资金申请。 黄佩：方法设计。 江学燕：软件应用、实验资源准备。 王芳珍：正式数据分析。 杨阳：实验研究工作。 王志忠：概念构思。 唐大伟：数据整理。 张淑萌：论文撰写——审稿与编辑、方法设计、实验研究。 赵明：论文撰写——初稿编写
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFE0209700）、国家自然科学基金（项目编号：22004136）、广东省自然科学基金（项目编号：2021A1515011950）、广州市科技计划项目（项目编号：2024A04J5070）以及中国博士后科学基金（项目编号：GZC20240338）的支持。
