审阅︱董钊，苏萌

责编︱王思珍

偏头痛是高度失能性的原发性头痛，临床表现为反复发作、中度至重度搏动性头痛，日常体力活动可能会加重，常常伴有恶心、呕吐、畏光和畏声[1]。根据2016年全球疾病负担（Global Burden of Disease Study 2016）数据显示，偏头痛是导致人体失能的第二大原因，其导致的失能患者数量超过其他所有神经系统疾病导致的失能患者数量总和[2]。在我国，偏头痛的患病率为9.3%，约有超过1亿人患有偏头痛，但诊断正确率很低，其中部分原因可能与缺乏客观指标有关[3-4]。降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）前被认为是偏头痛可靠的生物学标志物，但其降解较快，而目前检测CGRP常用的酶联免疫吸附法虽然具有较好的灵敏度和重复性，但存在操作复杂、需专业人员检测、耗时长等使用瓶颈，无法满足CGRP此类超低浓度、迅速降解的小分子多肽的临床检测需求，故导致其在临床应用场景检测受限。

 图1 利用光子晶体生物芯片检测偏头痛患者的唾液中的降钙素基因相关肽

光子晶体（photonic crystal，PC）是一种具有光子带隙特性的周期性电介质结构[5]，在高灵敏的荧光生物分子检测中应用广泛。由于其具有光子禁带和光子局域的特性，对光子在其中的传播可以进行控制，故当检测分子荧光与光子晶体带隙匹配时，可以实现染料分子检测信号的增强[6]，从而降低检测限度，提高检测的灵敏度。因此，在传统的荧光检测体系中引入光子晶体结构，作为光学增益元件，能够在原有基础上增强荧光信号强度，提升荧光标记法检测各生物分子的灵敏度、缩短检测时间，这也为CGRP的快速检测提供了更高效精确的辅助手段。

研究者首先通过喷墨打印技术制备了图案化光子晶体生物芯片阵列，喷墨打印的材料为粒径290 nm聚苯乙烯微球混合润湿剂与保湿剂的光子晶体墨水（后文称为PC290）。打印并室温干燥烧结完毕的芯片具有水溶性，高温烧结有助于PC290更稳固结合在基底表面。研究者充分探究了烧结芯片的最适宜温度及时间，得到了肉眼下可见明显光子晶体结构色，电镜下可见光子晶体小球能保持有序的周期性排列结构的PC290生物芯片（图 2B）。其后，探究了PC290在不同入射波长下的反射率（图 2A），确定其最适波长范围，选择荧光发射波长与该最适波长范围匹配的Cyanine5（Cy5）染料，以便产生最大的反射率，达到更强的荧光增益效果。此外，研究者还使用COMSOL软件模拟了后续使用竞争法检测时在不同的激发波长下光子晶体产生的电场强度值的大小变化（图 2C-D），确定了能够产生最大电场强度的激发波长为640 nm，使用该激发波长测定光子晶体对Cy5-CGRP的荧光增益倍数，发现该数值可超过20倍（图 2E-F），这意味着光子晶体能极大提高检测CGRP的灵敏度，降低CGRP检测限度，更符合体液中含量较低的偏头痛生物标志物的临床检测需求。

图2 光子晶体生物芯片的光学表征

其后研究者优化了基于光子晶体的竞争荧光免疫分析检测方法，先后确定了最佳Anti-CGRP浓度及Cy5-CGRP浓度（图 3A-B），并基于此最优组成成分浓度实现了0.05-100pg/ml的待测CGRP的标准曲线的构建（图 3C-D），该标准曲线的R²可达0.97，可以实现最低0.05pg/ml CGRP的检测，其灵敏度远远优于传统的酶联免疫吸附法检测。在实现了降低最低检测限度之后，研究者对最佳检测时间进行了进一步探究，研究结果发现在室温条件下，10分钟具有最佳的检测效能（图 3E-F），此外，使用该芯片分别检测非CGRP抗原，进一步验证了该芯片检测CGRP的良好的特异性。

图 3 基于光子晶体生物芯片的检测标准曲线的构建及检测性能的验证

其后，研究者最终纳入了50位发作性偏头痛患者以及20位健康对照者，其中发作性偏头痛患者中12位处于偏头痛发作期，38位处于偏头痛发作间期，受试者年龄分布符合如图4A。受试者们签订知情同意书并按要求留取了唾液，分别使用传统的酶联免疫吸附法及光子晶体生物芯片法两种检测方式分别对处理后的样本进行了检测。研究结果显示偏头痛患者唾液中CGRP水平在发作期升高，该水平相较于发作间期及健康对照者均具有显著学差异，而偏头痛患者发作间期的唾液中CGRP水平与健康对照者相比未见显著差异（图 4B-C），证明了CGRP在偏头痛的病理生理学过程中发挥重要作用。同时，研究者对以上样本使用光子晶体生物芯片进行了CGRP水平的检测，并将其所得结果与传统的酶联免疫吸附法相对比，发现该两种检测结果具有较强的一致性（图 4D）。将两种检测方式测得的结果进行相关性分析，二者的相关性系数可以达到0.97（图 4E），验证了该芯片用于检测CGRP具有极高的准确性，为偏头痛生物标志物的检测提供了一种超快速、高灵敏度和高特异性的检测方法。

图4 传统的酶联免疫吸附法及光子晶体生物芯片检测唾液中CGRP水平结果与分析

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42295-2

解放军医学院林晓雪硕士研究生为文章第一作者，中国科学院化学研究所迟基梅博士研究生为文章共同第一作者。解放军总医院神经内科医学部董钊教授为文章的通讯作者，中国科学院化学研究所苏萌研究员为文章的共同通讯作者。

于生元（左一），董钊（左二），宋延林（左三），苏萌（右三），林晓雪（右二），迟基梅（右一），
（照片提供自于生元/董钊团队和宋延林/苏萌团队）

通讯作者简介：董钊，解放军总医院神经内科医学部神经内科主任，主任医师、教授、博士生导师。现任中华医学会疼痛学分会头面痛学组副组长，中国研究型医院学会头痛专委会青年委员会主任委员，中国研究型医院学会神经科学专委会常委，中国医师协会神经内科医师分会疼痛与感觉障碍专业委员会委员、国家自然科学基金评审专家等，获第六届“国之名医-优秀风范”、中国医师协会“杰出青年神经内科医师”。发表SCI论文90余篇，以第一或通讯作者在Annals of Neurology、Neurology、SmartMat、iScience等杂志发表SCI论文44篇。主持军队后勤科研专项、科技委重点课题、国自然面上等国家及省部级以上课题9项。获中华医学科技二等奖、北京市科学技术奖二等奖。

共同通讯作者简介：苏萌，中国科学院化学研究所研究员，国家优秀青年科学基金获得者，基金委创新群体项目“基于表面能控制的材料设计与应用”核心成员，北京市科技新星，中国科学院青年创新促进会会员。主要从事印刷微纳图案化与光电器件集成应用研究，发表学术论文 90余篇，申请/授权发明专利 34 项。

第一作者简介：林晓雪，解放军医学院硕士研究生。研究方向为偏头痛生物标志物的快速检测及临床应用。以第一作者发表论文2篇，参与发表SCI论文3篇，参与撰写偏头痛相关中国指南及专家共识2部。

共同第一作者简介：迟基梅，中国科学院化学研究所在读博士研究生。研究方向为光子晶体纳米芯片的即时诊断检测和纳米探针成像。以第一作者或共同作者发表论文6篇，申请中国发明专利14项。