金筆獎(jiǎng)|納米生物傳感器在腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)中的應(yīng)用

       目前對(duì)腫瘤的早期檢測(cè)方法存在不同程度的不足，傳統(tǒng)細(xì)胞學(xué)檢查和經(jīng)過改進(jìn)得到的超薄液基細(xì)胞技術(shù)等利用染色后癌細(xì)胞形態(tài)會(huì)和正常細(xì)胞存在顯著的差異而進(jìn)行檢測(cè)，存在檢出率低并難以提升的缺陷；pH敏感熒光探針技術(shù)無法為所有類型的癌細(xì)胞找到合適pH值的探針分子；超寬帶微波檢測(cè)技術(shù)雖能判斷腫瘤的位置及大小，但由于圖像分辨率較低，存在不能精細(xì)分辨腫瘤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷。近年來，隨著電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展，利用其進(jìn)行腫瘤標(biāo)志物水平的測(cè)定成為腫瘤早期篩查、診斷的重要手段之一。

       腫瘤標(biāo)志物是可以在血液、尿液或組織中存在的一類物質(zhì)，其在腫瘤發(fā)生及發(fā)展的過程中產(chǎn)生及變化，其類別和濃度可表明不同腫瘤的發(fā)生及進(jìn)展程度。甲胎蛋白（AFP）存在于胎兒時(shí)期，隨著胎兒的出生其水平下降，健康人群AFP水平<5μg/L，水平升高常見于肝癌及生殖系統(tǒng)腫瘤；癌胚抗原（CEA）是一種重要的腫瘤相關(guān)抗原，存在于胚胎胃腸黏膜上皮細(xì)胞和一些惡性組織的細(xì)胞表面，健康人群血清 CEA 水平 <30 μg/L，70%~90% 的結(jié)腸腺癌患者CEA 呈高度陽性，且其水平在胃癌、胰 腺癌、小腸腺癌及肺癌等腫瘤中也會(huì)出現(xiàn)升高的現(xiàn)象；糖類抗原19-9（CA19-9）升高常見于胰 腺癌、胃癌、結(jié)腸癌、直腸癌及膽囊癌中；microRNA-21（miRNA21，miR-21）在結(jié)腸癌、肺癌、肝癌、前列腺癌、腎細(xì)胞癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤等癌癥中異常增高，且在腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲、遷移和凋亡中發(fā)揮至關(guān)重要的作用；胃泌素釋放肽前體（ProGRP）是一種新的小細(xì)胞肺癌標(biāo)志物；非小細(xì)胞肺癌相關(guān)抗原（CYFRA21-1）是非小細(xì)胞肺癌標(biāo)志物；糖類抗原125（CA125）升高則主要見于卵巢癌和子宮內(nèi)膜癌中；另外，還有人絨毛膜促性腺激素（HCG）、前列腺特異性抗原（PSA）、糖類抗原15-3（CA15-3）、神經(jīng)元特異性烯醇化酶（NSE）、人附睪蛋白4（HE4）等腫瘤標(biāo)志物，在各類腫瘤檢測(cè)中均具有指向性。

       隨著電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展及在腫瘤早期診斷中的廣泛應(yīng)用，腫瘤檢測(cè)技術(shù)在保證靈敏度和準(zhǔn)確度的同時(shí)越來越趨向于快速和便攜。近年來，新的納米材料得到不斷應(yīng)用，新的修飾技術(shù)也在不斷出現(xiàn)，納米材料用于腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)中也有了快速的發(fā)展。納米粒子具有較大的比表面積、較強(qiáng)的吸附能力和良好的定向能力，其組裝電化學(xué)生物傳感器具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性。納米材料修飾的電化學(xué)生物傳感器具有檢測(cè)靈敏度及特異度高、操作簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為新的研究熱點(diǎn)。用于生物傳感的納米材料有碳納米材料（碳納米管、石墨烯和炭黑）、納米金、DNA 生物納米傳感結(jié)構(gòu)及一些聚合物材料等。相比傳統(tǒng)的生物傳感，納米生物傳感器具有更好的靈敏度、高通量和重復(fù)性。各種納米技術(shù)和納米材料的應(yīng)用，也將更有利于生物傳感器的小型化、微型化、可攜帶、可穿戴等，從而發(fā)展出針對(duì)腫瘤診療更多、更先進(jìn)的傳感模式。

       1、納米金材料修飾的腫瘤標(biāo)志物生物傳感器

       納米金溶膠（AuNPs）具有良好的生物相容性和導(dǎo)電性、有效的催化作用、高密度、高比表面積等優(yōu)良性能，并且可與含氮基團(tuán)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，在生物測(cè)定領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。生物探針修飾設(shè)計(jì)思路是將 AuNPs 顆粒修飾到電極表面，以增大電極的比表面積，提高傳感器的靈敏度。由氧化石墨烯 /AuNPs 與雙抗體組成的夾心型電極，可用于檢測(cè)前列腺特異性抗原（PSA），所制備的生物傳感器對(duì) PSA 顯示出良好的選擇性。以石墨烯與金納米粒子復(fù)合物為支撐基質(zhì)，合成了氧化石墨烯/硫堇/金納米粒子納米復(fù)合材料，制備的傳感器可以同時(shí)測(cè)定甲胎蛋白（AFP）和癌胚抗原（CEA）。有研究者開發(fā)了一種基于AuNPs/CNNS復(fù)合材料的電化學(xué)生物傳感器，用于檢測(cè)miRNA，利用雙特異性核酸酶（duplex-specific nuclease，DSN）和發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針分別提高了靈敏度和選擇性，所報(bào)道的生物傳感器顯示miR-21 的檢測(cè)范圍在10 fmol/L～1 nmol/L 之間，檢測(cè)限低至2.9 fmol/L。此外，對(duì)血清樣品中添加的 miR-21 檢測(cè)表明，所研制的生物傳感器具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，驗(yàn)證了其在疾病早期診斷中的應(yīng)用潛力。

       2、碳納米管修飾的腫瘤標(biāo)志物生物傳感器

       碳納米管（CNTs）作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完 美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。由于 CNTs 比表面積大，導(dǎo)電性能與催化活性較強(qiáng)，所以被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域。以多壁碳納米管/金納米粒子為基礎(chǔ)，研制了一種用于前列腺特異性抗原（PSA）擴(kuò)增檢測(cè)的電化學(xué)納米免疫傳感器，通過借助4-氯-1-萘酚的增強(qiáng)沉淀作用，使辣根過氧化物酶分子更多地附著在多壁CNTs 上，將抗 PSA 單克隆抗體固定在金電極上，制備了PSA納米免疫傳感器，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，檢測(cè)線性范圍為1.0pg/ml~10.0 ng/ml，檢測(cè)限為（0.40±0.03）pg/ml。將羧基化單壁 CNTs 吸附在絲網(wǎng)印刷碳電極上，以小麥胚芽凝集素為分子識(shí)別元件，研制了一種無標(biāo)記電化學(xué)阻抗譜甲胎蛋白（AFP）生物傳感器，結(jié)果表明，該傳感器可以對(duì)健康人群和癌癥患者血清標(biāo)本進(jìn)行 AFP 的檢測(cè)鑒別。

       3、納米線材料修飾的腫瘤標(biāo)志物生物傳感器

       納米線材料（NFs）是一種橫向上被限制在100 nm 以下的一維結(jié)構(gòu)材料，具有比表面積大、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，其化學(xué)性能非常穩(wěn)定，近年來越來越多地被應(yīng)用到腫瘤標(biāo)志物生物傳感器的設(shè)計(jì)中。有學(xué)者制備了一種基于聚丙烯腈納米線的高性能生物傳感納米平臺(tái)，采用靜電紡絲技術(shù)和聚丙烯腈納米線放大電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糖類抗原125（CA125）的靈敏檢測(cè)。以氨基功能化二硫化鉬納米線為載體，利用二硫化鉬納米線良好的催化特性和有效的負(fù)載能力，研制了一種靈敏的三明治型癌胚抗原（CEA）電化學(xué)傳感器，最低檢出限為3.09fg/ml。

       4、DNA 納米技術(shù)腫瘤標(biāo)志物生物傳感器

       DNA 不只是遺傳物質(zhì)，還能通過折疊形成特定的二維、三維結(jié)構(gòu)，作為一種天然納米材料，可參與各種功能結(jié)構(gòu)和納米器件的構(gòu)造，對(duì)納米科學(xué)產(chǎn)生了重大影響。自組裝 DNA納米結(jié)構(gòu)作為一種新型納米生物材料，可精確排列各種分子和材料，形成空間有序的復(fù)合物，因此，DNA納米結(jié)構(gòu)在許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是生物傳感器中顯示出巨大的應(yīng)用前景。能夠快速、高效地組裝出具有強(qiáng)大的 miRNA 測(cè)定功能的 DNA 納米材料，是 DNA 納米生物技術(shù)和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究的關(guān)鍵。研究者提出了一種新的靶標(biāo)觸發(fā) DNA 組裝途徑，通過將 DNA 級(jí)聯(lián)體與 G-四鏈體導(dǎo)線相結(jié)合來構(gòu)建多分支 DNA 納米結(jié)構(gòu)。由于在電極表面聚集了大量的G-四鏈體重復(fù)，所獲得的多分支 DNA 納米結(jié)構(gòu)能夠與大量的氯化血紅素結(jié)合，從而使電化學(xué)傳感信號(hào)顯著放大，用于對(duì) miR-21 的超靈敏和選擇性檢測(cè)。檢測(cè)下限低至0.2 fmol/L，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍10 fmol/L～100nmol/L。此外，即使是單堿基突變也可很容易地與目標(biāo) miR-21 區(qū)分開。將納米金顆粒與DNA滾環(huán)技術(shù)（RCA）技術(shù)相結(jié)合，捕捉電流信號(hào)，用差示脈沖伏安法監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人附睪蛋白4（HE4）的靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為0.06 pM。

       近年來，納米材料修飾的電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)方法不斷成熟，新的納米材料在電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用也越來越多。納米材料修飾的電化學(xué)生物傳感器已成為腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)的有效手段，對(duì)于腫瘤診斷技術(shù)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。

       參考資料

       [1]牛亞倩,劉芳,陳徹.納米生物傳感器在腫瘤microRNA-21檢測(cè)中的應(yīng)用[J].中國生物制品學(xué)雜志,2022,35(06):759-762.DOI:10.13200/j.cnki.cjb.003635.

       [2]馬霄,謝寶鮮.納米材料修飾的電化學(xué)生物傳感器在腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療裝備,2020,33(09):196+200.

       [3]姜天舒,張若彤,董昌梓,金偉秋,賈明龍,張鎮(zhèn)西.多種形態(tài)結(jié)構(gòu)的光學(xué)納米生物傳感器及其在腫瘤篩查中的應(yīng)用[J].中國激光,2020,47(02):156-162+2.

       作者簡(jiǎn)介：小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品的開發(fā)與研究。