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

2020-05-28马霄谢宝鲜

医疗装备 2020年9期

马霄，谢宝鲜

1 杭州市第一人民医院设备科（浙江杭州 310006）；2 杭州市肿瘤医院（浙江杭州 310002）

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，且其类别和浓度可表明不同的肿瘤发生及进展程度；而且，肿瘤标志物水平的测定对肿瘤的早期筛查、诊断和预后具有重要的意义。

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（图1）。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[1-2]。

图1 纳米材料修饰的电化学生物传感器肿瘤标志物检测的构建

1 常见的肿瘤标志物

肿瘤标志物是人体内肿瘤细胞产生的代谢产物，其水平的测定对疾病的筛查、诊断和预测具有重要的意义。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＜5 μg/L，水平升高主要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）升高主要见于胰腺癌、胃癌、结肠癌、直肠癌及胆囊癌中；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。

2 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模式

2.1 纳米金材料修饰的肿瘤标志物生物传感器的设计

纳米金溶胶（AuNPs）具有良好的生物相容性，且制备方法简单，应用于电化学生物传感器中稳定性较高。

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。Zahra Akbari jonous等[3]设计了由氧化石墨烯/AuNPs与双抗体组成的夹心型电极，可用于检测PSA，所制备的生物传感器对PSA显示出良好的选择性。Assari等[4]通过金纳米颗粒修饰氧化石墨烯，然后将其固定在玻璃纳米碳电极上，设计了一种电化学阻抗法测定PSA的生物传感器。Jia等[5]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AFP和CEA。

2.2 碳纳米管修饰的肿瘤标志物生物传感器的设计

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。

Singh等[6]利用CNTs等纳米材料应用于开发电化学纳米生物传感器在前列腺癌生物标志物的检测中，结果理想。Akter等[7]以多壁碳纳米管/金纳米粒子为基础，研制了一种用于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1.0 pg/ml～10.0 ng/ml，检测限为（0.40±0.03）pg/ml。Yang 等[8]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。

2.3 纳米线材料修饰的肿瘤标志物生物传感器的设计

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。Farzin等[9]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CA125的灵敏检测。Ma等[10]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CEA电化学传感器，最低检出限为3.09 fg/ml。

2.4 DNA纳米技术肿瘤标志物生物传感器的设计

将DNA与纳米材料组合起来，构成的电化学DNA生物传感器是一种具有高灵敏度的新型生物传感器。近年来，在探针设计中引入纳米材料，再与DNA滚环技术（RCA）相结合，制备DNA纳米技术肿瘤标志物生物传感器。Lu等[11]将纳米金颗粒与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HE4的灵敏检测，检测限为0.06 pM。