Advanced Science | 刘钢教授团队基于MetaSPR芯片开发肿瘤标志物快速早筛新平台

随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，肿瘤已发展成为严重危害人们生命的常见病、多发病。世界卫生组织指出，如果能早期诊断并及时治疗，大部分的恶性肿瘤是可以治愈的，而早发现是解决癌症防与治的关键中的关键。生物标志物已被广泛用于早期癌症诊断，以降低发病率和癌症相关死亡。然而，目前的方法可能表现出灵敏度低或非特异性严重，急需开发一种有临床应用前景的超灵敏、高特异性和便携式的肿瘤标志物筛选技术。

6月26日，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授团队与量准（武汉）生命科技有限公司黄丽萍博士合作，在 Advanced Science 期刊上发表了题为：Nanozyme-Catalyzed Metasurface Plasmon Sensor-Based Portable Ultrasensitive Optical Quantiﬁcation Platform for Cancer Biomarker Screening的研究论文。

该研究利用一种低成本、便携的超表面等离子体生物传感器（MetaSPR）与人工纳米酶联用，构建了一种新型超表面等离子体刻蚀免疫传感器，即纳米酶联免疫吸附表面等离子体共振生物传感器（Nano-ELISPR），用于超灵敏和特异性进行早期筛查血清中的癌症生物标志物。

在该论文中，研究者利用金银复合纳米杯阵列MetaSPR生物芯片，成功联用人工纳米酶标记的抗体，通过纳米酶催化TMB显色剂产生oxTMB离子，继而与金银MetaSPR芯片的Ag离子发生可逆的刻蚀反应，从而可通过检测芯片表面蚀刻前后吸收光谱的变化，准确定量肿瘤标志物蛋白的浓度。该检测平台的AFP检测下限<21.74 fM，比市售酶联免疫吸附测定试剂盒低3个数量级。

为了验证平台的通用性，采用AFP，CEA和CA125三种标志物进行定量检测。更重要的是，使用临床样本验证了平台的准确性；与医院结果相比，3种生物标志物均达到较高的敏感性和特异性进行分析。由于其具有快速、易操作和高通量的特点，该平台可促进生物传感在癌症筛查或早期诊断的潜力。

图1 用于检测生物标志物指标的快速、

超灵敏Nano-ELISPR平台示意图

为了简化操作流程，研究者将MetaSPR光学芯片与高通量的96孔板集成，并使用多功能分子分析仪(XLement, WeSPR 100)进行光学信号检测。为了验证MetaSPR芯片的蚀刻效果，研究者将酶标抗体稀释不同浓度梯度后与MetaSPR芯片进行孵育，再加入显色试剂。结果证明芯片表面的蚀刻效果与酶标抗体浓度正相关。

图2 Nano-ELISPR生物传感器检测平台

及oxTMB与传感器蚀刻反应的验证

纳米酶的催化性能受外界环境条件的影响较小，化学性质稳定，表面易于修饰，生产成本低于蛋白酶。因此，纳米酶与MetaSPR芯片的联用满足了简单、低成本诊断肿瘤标志物的需求。

图3 Nano-ELISPR生物传感器检测平台的优化与验证

另外，研究者比较了商用ELISA和高灵敏度快速nano-ELISPR生物传感器的整个检测过程。在传统的ELISA检测中，目标分子被微孔板上的特异性抗体捕获，然后与标记了D-Ab的酶进行夹心反应。检测信号通过酶底物转化为有色分子而产生，并使用酶标仪测量吸光度来定量。反应时间至少需要3 h。然而，nano-ELISPR生物传感器平台将加样量减少至~20 μL、反应时间缩短至40 min、同时提高了检测灵敏度。与一步式快速ELISA相比，nano-ELISPR采用的纳米酶催化剂减少了HRP不稳定引起的非特异性结合，提高了生物标志物检测的灵敏度和稳定性。通过临床人血清样本进行不同肿瘤标志物指标定量检测验证，进一步证明所建立的检测真实样本策略的可行性和实用性。