新型电子生物传感器可定量检测唾液中的癌症生物标志物
2022-09-16 17:16:34   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，印度理工学院（Indian Institute of Technology）联合卡纳塔克邦医学科学研究所（Karnataka Institute of Medical Sciences）开发出一款便携式快速电子生物传感器，用于定量检测人体唾液中两种隐蔽的癌症生物标志物——癌胚抗原（CEA）和细胞角蛋白19片段（CYFRA 21-1），从而实现癌症诊断。

癌胚抗原和细胞角蛋白19片段是标记包含肺癌、口腔癌、结直肠癌等多种癌症的两种生物标志物。它们的最大特点是存在于患者唾液中。虽然健康人体唾液中也存有癌胚抗原和细胞角蛋白19片段，但是浓度非常低（0至3ng/ml）。研究人员观察到癌症患者的唾液样本中，这些抗原的浓度超过5ng/mL。因此，简单而轻松地检测人类唾液中癌胚抗原和细胞角蛋白19片段可能不仅是诊断早期癌症的关键，而且还是监测肿瘤进展和评估不同类型的癌症治疗的关键。

抗原和抗体是带电粒子，它们相互作用导致累积电荷密度发生变化。因此，检测抗原的简单技术之一是捕获由于抗原-抗体相互作用产生的电信号。实现这一目标的第一步是使用合适的试剂对碱性基底进行表面改性，然后将抗体固定在该基底上。

其次尝试利用胺偶联法开发共价固定技术。这种方法是使用(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐)(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)固定蛋白质或小分子的有效方法。EDC/NHS的一个简单替代方案是使用三聚氰胺（MEL）进行胺偶联法。由于其三嗪环氮原子的sp2杂化，每个三聚氰胺单体都具有三对未共享的电子对作为氢键受体。未取代的三聚氰胺还包含三个环外伯胺，每个都具有提供两个氢键供体的能力。这使得抗体与表面形成稳定的氢键。

该生物传感器的另一个重要组成部分是基础传输层，它被设计用来捕获抗原-抗体相互作用产生的电信号。固定抗体的基质通常是绝缘体或半导体材料，它们不能忠实地将总电荷密度的变化传输到测量仪器。二维纳米材料有望在这种电子传输中发挥关键作用。还原氧化石墨烯（rGO）是一种碳纳米材料，它是由碳原子以sp2杂化组成的六方环石墨烯衍生物。此外，多个官能团附着在还原氧化石墨烯的边缘和基面上。还原氧化石墨烯具有卓越的机械和电子特性，包括高载流子迁移率。这是开发旨在捕获由生物标志物产生电子信号的生物传感器的一个极其重要的特性。

生物传感器各成分的表面形态

据文献记载，癌症患者唾液中癌胚抗原和细胞角蛋白19片段的浓度分别在3.3ng/ml到5ng/ml，甚至到数百ng/ml之间。如前文所述，健康受试者的唾液中，这些物质浓度较低。因此，研究人员在室温下对还原氧化石墨烯/三聚氰胺/抗体/牛血清白蛋白（BSA）生物传感器进行了广泛的胚抗原和细胞角蛋白19片段浓度（1pg/mL至800ng/mL）测试——涵盖了癌症以及健康受试者中这些生物标志物的不同浓度。研究人员发现生物传感器的响应随两种抗原浓度的变化而变化。当癌胚抗原浓度在1pg/ml至800ng/ml范围时，传感器的响应范围为6.1%至59.1%（下图c），当细胞角蛋白19片段的浓度在1pg/ml至800ng/ml范围时，传感器的响应范围为7.1%至64.1%（下图d）。生物传感器的检测限（LOD）是另一个关键参数，可通过统计方法计算得到。癌胚抗原和细胞角蛋白19片段传感器的检测限分别为0.148pg/mL和0.04pg/mL。

生物传感器特性

这项工作的目的是开发一种便携式生物传感器，供医疗从业者轻松简单地诊断癌症。在该需求下，传感器的关键性能指标之一是稳定性，即经过一定天数后，传感器性能也不能下降。因此，通过制备设备并在4°C下保持2周，来评估该生物传感器的稳定性。然后对这些存储设备进行20ng/mL的癌胚抗原和细胞角蛋白19片段测试。测试中，传感器的响应分别被确定为33.95%和28.7%（上图f），这与新开发的生物传感器的响应接近。

（a）氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和三聚氰胺的傅立叶红外光谱（FTIR）图；（b）传感机制原理图

紧接着，将该生物传感器的性能与通常用于检测蛋白质生物标志物的其它传感方式进行比较。结果显示，该生物传感器不仅提供了一种检测癌胚抗原和细胞角蛋白19片段的简单方法，而且性能优于当下其它用于检测该类生物标志物的传感器。

研究人员利用9名口腔鳞状细胞癌（OSCC）患者的唾液样本和5名健康受试者（对照组）的唾液样本对这款生物传感器原型进行了测试。将6μL解冻的唾液滴在这款新开发的生物传感器上，并使用其原型记录反应。研究人员通过使用DAQ设备测量流经生物传感器的电流，对该生物传感器原型测量的响应值进行了交叉验证。结果表明，该电子生物传感器在检测癌胚抗原和细胞角蛋白19片段方面效率很高，在临床诊断中具有很高的应用潜力。此外，这款电子生物传感器可以检测到低至1pg/mL浓度的两种抗原，这是酶联免疫吸附法（ELISA）试剂盒不容易做到的。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-19593-8

延伸阅读：

《癌症诊断初创公司调研-2020版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》

《传感器技术和市场趋势-2020版》