作者：動力彩虹

癌症是全世界死亡的主要原因之一。2018年，約有950萬人死於癌症，預計到2040年，這一負擔將增加到1600萬人左右。與該疾病相關的高死亡率的主要原因是幾乎所有型別的癌症都是在晚期診斷的。這是由於缺乏用於早期癌症診斷的簡易快速篩查技術。通常，癌症早期患者的症狀與輕微疾病、感染、潰瘍、感冒和咳嗽的症狀嚴重重疊。目前的診斷方法，如斷層掃描、X射線成像、痰細胞學檢查、組織活檢等，費用昂貴，實驗室密集，有時具有侵入性。這就需要開發廉價、高靈敏度和行動式生物感測器，這些感測器需要少量易於採集的患者樣本（唾液、痰、尿液等），需要很少額外的化學物質，並實現快速診斷。這種生物感測器預計將具有巨大的臨床意義，並隨後在護理點（POC）測試應用中發揮關鍵作用。實現這一目標的有效方法之一是開發用於癌症的分泌性生物標誌物的生物感測器，這些生物標誌物在癌症的早期階段被引入容易獲得的體液（唾液、痰、血液、尿液等）。

癌胚抗原（CEA）和細胞角蛋白片段-19（CYFRA 21-1）是多種癌症的兩種生物標誌物，包括肺癌、口腔癌、結直腸癌等。這些抗原的最大優點是它們也可以在患者的唾液中發現。在健康人的唾液中也發現了CEA和CYFRA 21-1，但發現其濃度非常低（0–3 ng/ml）。在癌症患者的唾液樣本中，觀察到這些抗原的濃度增加超過5 ng/ml。簡單而容易地檢測CEA和CYFRA 21-1不僅可能是早期診斷終末期疾病的關鍵，而且可能是監測腫瘤進展和評估不同型別癌症治療的關鍵。

近日，一組來自印度的研究團隊在雜誌Scientific reports上發表了一篇題為“Simple diagnosis of cancer by detecting CEA and CYFRA 21-1 in saliva using electronic sensors”的文章。本研究報告了一種簡單、無標記的電子感測器的開發，可用於檢測廣泛濃度的CEA和CYFRA 21-1生物標誌物。感測器使用rGO（Reduced graphene oxide）以及富氮MEL（melamine），在室溫和環境條件下，將抗原滴在rGO/MEL/抗體/BSA裝置上，結合抗原後透過感測器的電流變化被視為感測器訊號。對裝置進行了八種不同濃度的CEA和CYFRA 21-1的測試。開發的原型機用人類唾液樣本進行了測試，並確定了所有真實樣本中存在的CEA和CYFRA 21-1的濃度。預測的CEA濃度也與人CEA的商業ELISA試劑盒交叉驗證。感測器裝置獲得的令人滿意的結果表明其在臨床診斷中具有潛在的實際應用。

圖片來源：Scientific reports

主要內容

感測機制

抗原和抗體是帶電粒子，它們的相互作用導致累積電荷密度的變化。因此，檢測抗原的一種簡單技術是捕捉由抗原-抗體相互作用產生的電訊號。

抗體和抗原帶有相反電荷，它們的相互作用導致聚集物種的淨電荷減少。電荷密度變化的資訊被傳輸到rGO層，如圖3b示意性所示。p型rGO層中的淨電荷發生變化，這反映為透過rGO/MEL/抗體裝置的電流的減少。

感測機制示意圖。圖片來源：Scientific reports

生物感測器靈敏度

製造了rGO/MEL/抗體/BSA，並對兩種生物標誌物的三種不同濃度進行了測試。圖a、b顯示了裝置測試1 pg/mL、20 ng/mL和800 ng/mL CEA和CYFRA 21-1的相對響應。當抗原濃度增加時，富氮的MEL在感測器裝置上可固定更多的抗體。

文獻報道，癌症患者唾液中CEA和CYFRA 21-1的濃度範圍分別為3。3至5 ng/ml至數百ng/ml。健康受試者的標記物濃度較低。在室溫下，對rGO/MEL/抗體/BSA生物感測器進行了CEA和CYFRA21-1（1 pg/mL至800 ng/mL）濃度範圍廣泛的測試，涵蓋了癌症和健康人群中這些生物標誌物的濃度。結果顯示生物感測器的響應隨兩種抗原的濃度而變化。感測器的響應範圍為6。1%至59。1% （1pg/ml至800ng/ml CEA），7。1%到64。1% （1pg/ml至800g/ml CYFRA 21-1）。CEA和CYFRA 21-1生物感測器的檢測限（LOD）分別為0。148 pg/mL和0。04 pg/mL。

生物感測器靈敏度。圖片來源：Scientific reports

生物感測器特異性

除了靈敏度之外，生物感測器的選擇性也是一個重要方面。為了評估感測器的選擇性，使用20ng/mL CYFRA 21-1測試rGO/MEL/抗CEA/BSA裝置，發現響應為12。7%，接近裝置對1pg/mL CEA的響應。用20ng/mL CEA測試rGO/MEL/抗CYFRA 21-1/BSA裝置，該裝置對CEA的響應為4。43%，響應小於1pg/mL CYFRA 21-1的反應。因此，抗原-抗體結合具有特異性。

生物感測器特異性。圖片來源：Scientific reports

生物感測器穩定性

透過製備裝置並將其保持在4°C下2周，對開發的生物感測器進行穩定性評估。CEA和CYFRA 21-1的感測器響應分別為33。95%和28。7%，這與新開發的生物感測器的響應接近。將本研究中開發的感測器的效能與通常用於檢測這些蛋白質生物標誌物的其他感測方法的效能進行比較，如下圖。開發的感測器不僅提供了一種檢測CEA和CYFRA 21-1的簡單方法，而且效能優於大部分可用的感測器。

不同生物感測器間的比較。圖片來源：Scientific reports

行動式生物感測器的讀出電路

當計算出CEA的響應小於14%或CYFRA 21-1的響應小於16%時，LCD顯示綠色，這表明抗原濃度小於5ng/mL且在健康範圍內。橙色代表CEA和CYFRA 21-1濃度高於健康範圍（5–20 ng/mL）的範圍。如果感測器的響應在該範圍內，則可能會向用戶發出詳細測試的警報訊息。紅色包括CEA的35%以上和CYFRA 21-1的30%以上的所有反應，因為這些反應表明抗原濃度高於20ng/mL，這僅在患者患有癌症的情況下才可能。

人類唾液測試結果

用9例口腔鱗狀細胞癌（OSCC）患者的人類唾液樣本和5例健康（對照）樣本測試開發的原型機。將6μL解凍唾液滴在開發的感測器上，並使用原型記錄響應。

觀察到OSCC患者唾液樣本中CEA和CYFRA 21-1的濃度均大於5ng/mL，健康受試者唾液中抗原的濃度從1pg/mL變化到略小於5ng/mL。在所有測試的14個樣品中均遵循文獻報道的兩種抗原的閾值濃度（5ng/mL）。為了交叉驗證所開發原型的效能，使用商業購買的ELISA試劑盒評估了所有真實樣品中的CEA濃度。透過ELISA試劑盒獲得的結果與透過開發的感測器裝置觀察到的結果相當。結果表明，電子生物感測器在檢測CEA和CYFRA 21-1方面非常有效，並具有用於臨床診斷的高潛力。此外，所開發的感測器可以檢測低至1pg/mL的兩種抗原濃度，這在ELISA試劑盒中是不可能的。

人類唾液樣本測試結果。圖片來源：Scientific reports

總結與討論

已經廣泛研究了幾種檢測CEA和CYFRA 21-1的方法。其中一種方法是酶聯免疫吸附試驗（ELISA），透過顯色反應來檢測相互作用。雖然ELISA是檢測生物標誌物的商業可用技術，但它是勞動密集型的，且具有低靈敏度（~0。1 ng/mL），經常導致不正確的結果，因此不適合開發肺癌的POC裝置。其他方法包括電化學感測器、電化學發光（ECL）、光電化學免疫感測器和基於表面增強拉曼散射（SERS）的感測器，來捕獲抗體-抗原相互作用。然而，除電化學感測器外，其他方法需要大型裝置、設施和熟練專業知識，且成本高昂。電化學感測器具有相對簡單的操作和行動式的優點，但需要電解質（主要是液體、懸浮液或膠體）進行操作，因此壽命有限。此外，裝置小型化受到限制。因此，這些方法都不適用於癌症POC裝置。

本研究報告了一種簡單、無標記、快速和有效的方法，透過監測透過rGO/MEL/抗體/BSA感測器的電流變化來檢測CEA和CYFRA 21-1抗原。在室溫下測試了兩種癌症生物標誌物的八種不同濃度，範圍在1pg/mL和800ng/mL之間。對於1pg/mL至800ng/mL CEA，rGO/MEL/抗CEA/BSA裝置的響應在7。29%至59。1%之間變化，對於1 pg/mL至800 ng/mL CYFRA 21-1，rGO/MEL/抗CYFRA/BSA裝置的響應範圍在6。1%至64%之間變化。LOD分別為0。148pg/ml和0。4pg/mL。感測器對各自抗原具有高度選擇性，即使在測試14天后也穩定。使用14個樣本測試了開發的原型機，發現預測的CEA濃度與商業購買的ELISA試劑盒非常一致。希望這項研究將導致行動式和易於使用的POC裝置的開發，用於檢測癌症生物標誌物，從而可能導致晚期疾病的早期診斷。