南科大环境学院张斌田课题组在光电化学生物传感器筛查环境样品雌激素活性的研究中取得进展
近日，南方科技大学环境科学与工程学院张斌田课题组在分析化学领域知名期刊Analytical Chemistry发表题为“Effect-Based Photoelectrochemical Screening of Estrogenic Activity in Wastewater via Cell-Free ERα-ERE Assembly”的研究论文。该研究构建了一种无细胞的染料敏化光电化学（PEC）生物传感器，通过靶向雌激素毒性效应的分子起始事件，即人源雌激素受体α（hERα）在雌激素响应元件（ERE）上的特异性组装，将配体结合诱导的界面空间位阻转化为灵敏的光电流信号，实现了对复杂环境样品中雌激素激动效应与拮抗效应的快速筛查和定量分析。
环境雌激素是一类广泛存在的内分泌干扰物（Endocrine-Disrupting Chemicals, EDCs），可通过模拟内源性激素干扰生物体的正常内分泌信号通路，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的环境监测方法主要依赖高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）等靶向仪器分析手段，虽然此类方法对已知化合物具有出色的定量分析能力，但无法反映污染物的综合毒性效应。全细胞生物传感器（如酵母双杂交系统等）能够检测样品的激动或拮抗效应，但其准确性常受样品基质的细胞毒性、化学物质的膜转运限制等因素的制约。因此，开发一种操作简便、高效准确且能够反映污染物生物效应的快速筛查方法，对水体中雌激素活性的监测和生态风险评估具有重要意义。
图1 染料敏化PEC生物传感器用于雌激素活性筛查的原理示意图
研究团队借鉴转录起始过程的分子生物学机制，开发了一种新型的染料敏化PEC生物传感器。该平台以纳米SnO2修饰电极为基底，通过亲和素-生物素体系将ERE双链DNA序列自组装固定在电极表面，并以DNA双链嵌入剂Ru(bpy)2(dppz)2+作为信号报告分子（图1）。其转导机制基于配体结合诱导的电极界面空间位阻效应：当激动剂存在时，配体与ERα结合诱导受体二聚化并激活其构象，随后该复合物与电极表面的ERE序列发生高亲和力结合，形成较大的ER-ERE复合物，在空间上阻碍Ru(bpy)2(dppz)2+嵌入DNA双链，导致光电流显著下降；相反，当竞争性拮抗剂存在时，其通过与E2竞争结合ERα的配体结合口袋，抑制活性复合物的形成，从而恢复DNA嵌入剂的嵌入能力和光电流信号。通过这一机制，该平台可在单一传感界面上实现对激动效应和拮抗效应的双模式检测。
研究团队对该PEC生物传感器的组装与检测性能进行了系统研究。采用电化学阻抗谱（EIS）对电极修饰、组装和检测过程进行表征，证实了传感界面的成功构筑和对目标物的特异性响应；通过荧光实验验证了Ru(bpy)2(dppz)2+的“光开关”效应，在加入ERE后荧光增强4倍，而E2-ERα复合物的形成使荧光降至77%，表明空间位阻有效阻碍了探针嵌入。基于该机制，该PEC生物传感器在直接检测模式下对E2的响应呈现S型剂量-效应曲线，经拟合计算得到半数最大效应浓度（EC50）为0.065 nM；在竞争性检测模式下，以4-羟基他莫昔芬（4-OHT）为模型拮抗剂，4-OHT通过与E2竞争结合ERα配体结合口袋抑制复合物形成，使光电流回升，测得半数最大抑制浓度（IC50）为96.5 nM。上述结果与已有文献报道一致，表明该PEC平台通过独立的光电流增强或减弱信号，能够有效区分雌激素激动剂、竞争性拮抗剂以及非靶标化合物。
图2 PEC传感器对雌激素激动效应与拮抗效应的检测性能
研究团队系统考察了该传感器的选择性和抗干扰能力。在直接检测模式下，仅E2产生显著的光电流下降，而4-OHT及其他非雌激素类激素（如睾酮、甲状腺素、孕酮等）即使在高1000倍的浓度下也未引起明显信号变化；在竞争性检测模式下，仅4-OHT能诱导显著的信号恢复。抗干扰实验进一步表明，常见共存物质（包括金属离子Pb2+、Cd2+、Cr3+、Hg2+、Na+以及腐殖酸、葡萄糖、组氨酸等）对E2和4-OHT的检测均无明显影响。在此基础上，研究团队对六种代表性EDCs，包括己烯雌酚（DES）、双酚A（BPA）、4-壬基酚（4-NP）、全氟辛烷磺酸（PFOS）、磷酸三苯酯（TPhP）和阿特拉津（Atz），进行了雌激素活性筛查，所得活性排序（DES>BPA>4-NP>TPhP>PFOS≫Atz）与分子对接计算的结合自由能结果基本一致，氢键作用模式分析进一步解释了不同化合物活性差异的结构基础。该传感器还被成功应用于生活污水、养殖废水和医院废水的实际检测，所得E2当量浓度与UPLC-MS/MS测定结果具有良好的线性相关性（R2=0.994,p<0.0001），充分验证了其在复杂环境基质中的实用性和可靠性。
图3 代表性EDCs的雌激素活性PEC筛查结果
该研究提出的无细胞PEC生物传感策略通过靶向ERα-ERE分子识别事件，将配体结合诱导的空间位阻转化为低背景光电流信号，避免了全细胞生物传感器中的基质细胞毒性和膜转运限制等问题，为复杂环境样品中雌激素混合毒性效应的效应导向筛查提供了一种快速、可靠的分析工具。该策略与新一代风险评估（NGRA）中基于不良结局路径（AOPs）和新方法学（NAMs）的理念高度契合，可为复杂环境样品的生态风险评价提供关键技术支撑。
南方科技大学环境科学与工程学院访问学者许铭棣为论文第一作者，张斌田副教授为通讯作者，郑国贸副教授为论文共同作者，范志敏、胡雅、冯晓楠、刘雨露等参与了此项工作。南方科技大学是该论文的唯一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市科技创新委员会项目、福建省自然科学基金项目以及深圳市城市环境健康风险精准测量与预警技术重点实验室的支持。
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