光学传感器可在血液中超低浓度检测癌症生物标志物

研究人员开发了一种高灵敏度的光学传感器，能够在血液中检测极低浓度的癌症生物标志物。发表在期刊《Optica》上的一项研究显示，该传感器即使在血样中仅存在少量分子时，也能识别出一种肺癌生物标志物，为在传统方法难以检出的极低标志物水平下实现癌症早期检测带来希望。

该传感器在亚阿托摩尔（sub-attomolar）水平即可从患者样本中检测到肺癌生物标志物，即便样本中仅有少数分子也能产生清晰信号。蛋白质、DNA或其他分子等生物标志物可用于揭示癌症及其他疾病的存在、进展或风险。然而，早期疾病诊断面临的主要挑战之一，是发病初期生物标志物浓度极低。

中国深圳大学的研究团队负责人表示：“我们的传感器将由DNA构成的纳米结构与量子点（quantum dots）以及CRISPR基因编辑技术相结合，利用一种称为二次谐波产生（second harmonic generation, SHG）的光学方法来检测微弱的生物标志物信号。如果这一方法获得成功，有望让疾病治疗更简化，潜在地提高生存率，并降低总体医疗成本。”

该传感器由一层平坦的 molybdenum disulfide 构成，这是一种半导体材料，具有支持SHG的理想特性——SHG是一种光学现象，可将入射光的波长减半。新传感器基于SHG这一非线性光学过程，即将入射光转换为波长减半的光。

科学家利用金字塔形的DNA纳米结构，将量子点精确地系留在传感器表面的特定位置，从而增强产生的SHG信号强度。研究人员使用DNA四面体——一种完全由DNA自组装形成、呈金字塔样的纳米结构——将微小量子点以精确距离系留在MoS₂表面。量子点可增强局部光场，从而强化SHG信号。

借助 CRISPR，该传感器可被编程以识别任何所需目标。他们应用CRISPR-Cas基因编辑来检测特定生物标志物。当用于CRISPR的Cas12a蛋白识别到目标生物标志物时，会切断固定量子点的DNA，从而导致SHG信号出现可测量的下降。由于SHG信号的背景噪声极低，即使生物标志物浓度非常低也能被检测到。

团队负责人表示：“我们不再仅将DNA视为一种生物物质，而是把它作为可编程的构建模块，使我们能够以纳米级精度组装传感器的各个组件。通过将能有效将背景噪声降至最低的光学非线性检测与无扩增设计相结合，我们的方法在速度与精度之间实现了独特的平衡。”

与需要对DNA或RNA目标进行扩增才能获得足够强信号的传统检测方法不同，这些量子传感器即使在超低浓度下也能直接检测目标。生物标志物检测通常需要对极微量分子进行扩增，这一过程可能耗时且成本高。因此，该技术有望使工作流程更快、更经济，同时避免复杂扩增流程可能引入的误差。

研究人员通过将传感器编程用于检测 miR-21 来测试其设计。miR-21 是一种与肺癌生长和转移相关的微RNA（microRNA）生物标志物。在验证其可在简单缓冲液中检测该标志物后，他们还证明该传感器能够在肺癌患者的人血清中检测到该生物标志物，从而模拟真实的血液检测。

团队负责人表示：“传感器表现非常出色，说明将光学、纳米材料与生物学相结合，可能是优化器件的有效策略。该传感器还具有很高的特异性——会忽略其他相似的RNA链，只检测肺癌目标。”

该检测技术被设计为可编程，这可能使其能够检测病毒、细菌或环境毒素，以及包括与阿尔茨海默病相关的多种生物标志物。

团队负责人表示：“用于早期诊断时，这一方法有望在肿瘤尚未在CT扫描上可见之前，就实现面向肺癌的简便血液筛查。它也可能推动个体化治疗选择的发展，使医生能够按天或按周监测患者的生物标志物水平以评估药物疗效，而不必等待数月才能获得影像学结果。”

未来，团队计划继续改进传感器设计并将其小型化，最终目标是开发一种便携式设备，可在临床环境及偏远地区轻松使用，以支持癌症的早期检测。研究人员计划重点推进光学系统的小型化。他们的目标是将其转化为一种便携式设备，可用于床旁、门诊，甚至低资源的偏远地区。