金笔奖 | 纳米生物传感器在肿瘤标志物检测中的应用

目前对肿瘤的早期检测方法存在不同程度的不足，传统细胞学检查和经过改进得到的超薄液基细胞技术等利用染色后癌细胞形态会和正常细胞存在显著的差异而进行检测，存在检出率低并难以提升的缺陷；pH敏感荧光探针技术无法为所有类型的癌细胞找到合适pH值的探针分子；超宽带微波检测技术虽能判断肿瘤的位置及大小，但由于图像分辨率较低，存在不能精细分辨肿瘤内部结构的缺陷。近年来，随着电化学生物传感器的发展，利用其进行肿瘤标志物水平的测定成为肿瘤早期筛查、诊断的重要手段之一。

肿瘤标志物是可以在血液、尿液或组织中存在的一类物质，其在肿瘤发生及发展的过程中产生及变化，其类别和浓度可表明不同肿瘤的发生及进展程度。甲胎蛋白（AFP）存在于胎儿时期，随着胎儿的出生其水平下降，健康人群AFP水平<5μg/L，水平升高常见于肝癌及生殖系统肿瘤；癌胚抗原（CEA）是一种重要的肿瘤相关抗原，存在于胚胎胃肠黏膜上皮细胞和一些恶性组织的细胞表面，健康人群血清 CEA 水平 <30 μg/L，70%~90% 的结肠腺癌患者CEA 呈高度阳性，且其水平在胃癌、胰腺癌、小肠腺癌及肺癌等肿瘤中也会出现升高的现象；糖类抗原19-9（CA19-9）升高常见于胰 腺癌、胃癌、结肠癌、直肠癌及胆囊癌中；microRNA-21（miRNA21，miR-21）在结肠癌、肺癌、肝癌、前列腺癌、肾细胞癌和神经胶质瘤等癌症中异常增高，且在肿瘤细胞的增殖、侵袭、迁移和凋亡中发挥至关重要的作用；胃泌素释放肽前体（ProGRP）是一种新的小细胞肺癌标志物；非小细胞肺癌相关抗原（CYFRA21-1）是非小细胞肺癌标志物；糖类抗原125（CA125）升高则主要见于卵巢癌和子宫内膜癌中；另外，还有人绒毛膜促性腺激素（HCG）、前列腺特异性抗原（PSA）、糖类抗原15-3（CA15-3）、神经元特异性烯醇化酶（NSE）、人附睾蛋白4（HE4）等肿瘤标志物，在各类肿瘤检测中均具有指向性。

随着电化学生物传感器的发展及在肿瘤早期诊断中的广泛应用，肿瘤检测技术在保证灵敏度和准确度的同时越来越趋向于快速和便携。近年来，新的纳米材料得到不断应用，新的修饰技术也在不断出现，纳米材料用于肿瘤标志物检测中也有了快速的发展。纳米粒子具有较大的比表面积、较强的吸附能力和良好的定向能力，其组装电化学生物传感器具有较高的灵敏度和稳定性。纳米材料修饰的电化学生物传感器具有检测灵敏度及特异度高、操作简单、抗干扰性强及携带方便等优点，已成为新的研究热点。用于生物传感的纳米材料有碳纳米材料（碳纳米管、石墨烯和炭黑）、纳米金、DNA 生物纳米传感结构及一些聚合物材料等。相比传统的生物传感，纳米生物传感器具有更好的灵敏度、高通量和重复性。各种纳米技术和纳米材料的应用，也将更有利于生物传感器的小型化、微型化、可携带、可穿戴等，从而发展出针对肿瘤诊疗更多、更先进的传感模式。

1、纳米金材料修饰的肿瘤标志物生物传感器

纳米金溶胶（AuNPs）具有良好的生物相容性和导电性、有效的催化作用、高密度、高比表面积等优良性能，并且可与含氮基团形成稳定的化学键，在生物测定领域得到了广泛应用。生物探针修饰设计思路是将 AuNPs 颗粒修饰到电极表面，以增大电极的比表面积，提高传感器的灵敏度。由氧化石墨烯 /AuNPs 与双抗体组成的夹心型电极，可用于检测前列腺特异性抗原（PSA），所制备的生物传感器对 PSA 显示出良好的选择性。以石墨烯与金纳米粒子复合物为支撑基质，合成了氧化石墨烯/硫堇/金纳米粒子纳米复合材料，制备的传感器可以同时测定甲胎蛋白（AFP）和癌胚抗原（CEA）。有研究者开发了一种基于AuNPs/CNNS复合材料的电化学生物传感器，用于检测miRNA，利用双特异性核酸酶（duplex-specific nuclease，DSN）和发夹结构探针分别提高了灵敏度和选择性，所报道的生物传感器显示miR-21 的检测范围在10 fmol/L～1 nmol/L 之间，检测限低至2.9 fmol/L。此外，对血清样品中添加的 miR-21 检测表明，所研制的生物传感器具有良好的选择性、稳定性和重现性，验证了其在疾病早期诊断中的应用潜力。

2、碳纳米管修饰的肿瘤标志物生物传感器

碳纳米管（CNTs）作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完 美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。由于 CNTs 比表面积大，导电性能与催化活性较强，所以被广泛应用于电化学生物传感器领域。以多壁碳纳米管/金纳米粒子为基础，研制了一种用于前列腺特异性抗原（PSA）扩增检测的电化学纳米免疫传感器，通过借助4-氯-1-萘酚的增强沉淀作用，使辣根过氧化物酶分子更多地附着在多壁CNTs 上，将抗 PSA 单克隆抗体固定在金电极上，制备了PSA纳米免疫传感器，在优化的实验条件下，检测线性范围为1.0pg/ml~10.0 ng/ml，检测限为（0.40±0.03）pg/ml。将羧基化单壁 CNTs 吸附在丝网印刷碳电极上，以小麦胚芽凝集素为分子识别元件，研制了一种无标记电化学阻抗谱甲胎蛋白（AFP）生物传感器，结果表明，该传感器可以对健康人群和癌症患者血清标本进行 AFP 的检测鉴别。

3、纳米线材料修饰的肿瘤标志物生物传感器

纳米线材料（NFs）是一种横向上被限制在100 nm 以下的一维结构材料，具有比表面积大、导电性能好等优点，其化学性能非常稳定，近年来越来越多地被应用到肿瘤标志物生物传感器的设计中。有学者制备了一种基于聚丙烯腈纳米线的高性能生物传感纳米平台，采用静电纺丝技术和聚丙烯腈纳米线放大电信号，实现了对糖类抗原125（CA125）的灵敏检测。以氨基功能化二硫化钼纳米线为载体，利用二硫化钼纳米线良好的催化特性和有效的负载能力，研制了一种灵敏的三明治型癌胚抗原（CEA）电化学传感器，最低检出限为3.09fg/ml。

4、DNA 纳米技术肿瘤标志物生物传感器

DNA 不只是遗传物质，还能通过折叠形成特定的二维、三维结构，作为一种天然纳米材料，可参与各种功能结构和纳米器件的构造，对纳米科学产生了重大影响。自组装 DNA纳米结构作为一种新型纳米生物材料，可精确排列各种分子和材料，形成空间有序的复合物，因此，DNA纳米结构在许多生物医学领域尤其是生物传感器中显示出巨大的应用前景。能够快速、高效地组装出具有强大的 miRNA 测定功能的 DNA 纳米材料，是 DNA 纳米生物技术和基础生物医学研究的关键。研究者提出了一种新的靶标触发 DNA 组装途径，通过将 DNA 级联体与 G-四链体导线相结合来构建多分支 DNA 纳米结构。由于在电极表面聚集了大量的G-四链体重复，所获得的多分支 DNA 纳米结构能够与大量的氯化血红素结合，从而使电化学传感信号显著放大，用于对 miR-21 的超灵敏和选择性检测。检测下限低至0.2 fmol/L，动态响应范围10 fmol/L～100nmol/L。此外，即使是单碱基突变也可很容易地与目标 miR-21 区分开。将纳米金颗粒与DNA滚环技术（RCA）技术相结合，捕捉电流信号，用差示脉冲伏安法监测，实现对人附睾蛋白4（HE4）的灵敏检测，检测限为0.06 pM。

近年来，纳米材料修饰的电化学生物传感器检测方法不断成熟，新的纳米材料在电化学生物传感器的应用也越来越多。纳米材料修饰的电化学生物传感器已成为肿瘤标志物检测的有效手段，对于肿瘤诊断技术的发展起到极大的促进作用。

参考资料       

[1]牛亚倩,刘芳,陈彻.纳米生物传感器在肿瘤microRNA-21检测中的应用[J].中国生物制品学杂志,2022,35(06):759-762.DOI:10.13200/j.cnki.cjb.003635.       

[2]马霄,谢宝鲜.纳米材料修饰的电化学生物传感器在肿瘤标志物检测中的应用[J].医疗装备,2020,33(09):196+200.       

[3]姜天舒,张若彤,董昌梓,金伟秋,贾明龙,张镇西.多种形态结构的光学纳米生物传感器及其在肿瘤筛查中的应用[J].中国激光,2020,47(02):156-162+2.

作者简介：小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。

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