上海大学开发微纳电化学液体活检平台，肺癌血清检测灵敏度达0.94

近日，上海大学材料基因组工程研究院张源副教授和团队开发出了微纳一体化的电化学液体活检（ELB，Electrochemical Liquid Biopsy）平台，可对血清中的外泌体进行直接快速的检测，总分析时间少于 30 分钟，大大简化了外泌体的分析流程。

针对肺癌患者和非癌对照组的血清样本的实测结果显示，ELB 平台对两组临床样本具有良好的区分效果。

图 | 微纳一体化的电化学液体活检平台构建示意图（来源：Nano Letters）

张源表示：“在 ELB 平台中，我们通过对不同的传感功能进行模块化划分，并合理编码于传感界面，发展了一种通用型的电化学液体活检技术。同时，也可将该检测平台推广至其他疾病相关标志物的检测研究。”

在应用落地上，张源团队已经和上海同济医院、上海中医药大学附属普陀医院等进行合作，积极开展基于微纳一体化 ELB 平台的癌症检测工作。

目前，双方已经开展了针对肺癌来源外泌体的检测工作，通过对肺癌患者和非癌症患者的血清样本对比分析发现，ELB 平台的检测特异性为 0.91，检测灵敏度为 0.94，未来可以在肺癌的早期检测中获得推广应用。

同时，课题组也在积极设计和制造检测仪器的样机，争取成果早日落地。另外，此次开发的 ELB 平台使用了普适性的检测技术。从原理上讲，其具有一定的普遍性和通用性，因此可以根据不同待测标志物的检测需求进行移植再创造。

图 | 张源（来源：张源）

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集多种功能于一体的传感检测平台

据介绍，随着微纳一体化检测技术的不断进步，以智能化、小型化、精准化和多模态融合为目标的医用即时检验（POCT，point-of-care testing）技术，在医学检验中发挥越来越重要的作用。

该方法通过对血液、尿液等体液样本中的循环肿瘤 DNA、循环肿瘤细胞和外泌体等肿瘤相关物质进行检测，以获取其与癌症发生和进展相关联的变化，可在癌症发病早期提供预警，从而做到“早发现，早治疗”。

此外，此方法还能实时、动态地实现癌症辅助诊断、病程监测和预后判断等，有助于提高重点人群的癌症早诊率和治疗率，提升患者生存率和生活质量。

相较于传统的检测方法，这种以微量、乃至痕量体液为检测对象的手段，具有无创、操作简便、可重复取样等特点，而且检测成本更低，还可避免组织活检取样给患者带来的痛苦。

外泌体是细胞分泌的一种纳米级囊泡结构。它直接参与着癌症的发生和发展，并携带肿瘤微环境的信息。

相比其它一些癌症检测对象，外泌体在体液中具有更高的浓度和稳定性，有利于肿瘤的早期诊断。而且，由于具备通透性强的优点，外泌体也能轻易到达各种体液中，为液体活检提供了重要的前提条件。

（来源：Nano Letters）

近年来，张源一直从事生化传感器、尤其是面向医疗检测的电化学传感器研究。在癌症早筛的研究上，她曾开展过乳腺癌和前列腺癌的肿瘤标志物检测研究。

以前列腺癌标志物的检测为例，目前已知的前列腺癌标志物有数十种。其中，前列腺特异性抗原（PSA，prostate-specific antigen）是最常用的前列腺癌标志物。

然而，PSA 几乎与所有前列腺疾病相关，对前列腺癌的筛查缺乏特异性，而且受年龄、尿路感染、泌尿系统检查操作等影响，也可能出现假阳性。

张源团队经过文献检索发现，由 P504s 基因编码的蛋白-甲酰辅酶 A 消旋酶（AMACR，Alpha-methylacyl-CoA racemase），在前列腺癌组织中显著过表达，而且只存在于癌症组织中，在前列腺增生等其它病症中并不出现。

因此，课题组选择 AMACR 作为前列腺癌筛查标志物并进行研究，相关论文此前发表于 Small 杂志，还被选为当期封面论文。

“之所以举这个例子，主要是表明对于癌症筛查来说，传感检测技术很重要，但是标志物的选择也非常关键。”张源表示。

（来源：Nano Letters）

如前所述，相比其它一些癌症检测对象，外泌体具有通透性和稳定性的显著优势，非常适用于作为肿瘤标志物，进行非侵入性的癌症早期筛查研究。

然而，当使用传感技术对体液中的痕量外泌体进行检测时，首先要解决的问题是如何从复杂的生物样品中，分离并富集出这些微小囊泡。其次，还需要提升检测的灵敏度和特异性。

在常见的检测技术中，通常使用以下两种信号放大方法：磁珠辅助富集外泌体以及引入酶联反应/滚环扩增技术等。在这些预处理过程里，往往涉及多个反应步骤，不仅耗时费力，样品也易受污染。

因此，为了实现简单、可靠的外泌体快速分析，并对复杂体液环境中的外泌体进行选择性捕获以及准确的检测，如能开发一款集多种功能于一体的传感检测平台，将大大提升对于外泌体的分析检测能力。

基于此，该团队开发出一种三维复合纳米结构，既能用于对外泌体的选择性捕获，又能提供较高的传感输出信号，为外泌体的传感检测提供了良好的选择性和较高的灵敏度。

此外，从单一的分析检测信号中，很难得到具体、准确和全面的信息。只有获取多个分析信号的组合，才可以提高检测的准确度，也才能得到与癌症进展更为密切关联的信息。

因此，研究团队采用了丝网印刷技术，其具备易于批量化、技术成熟度高等优点。借此，他们制作出了多通道的电化学传感电极，并在 3D 打印技术辅助下制作了微流控通道。然后，对外泌体表面携带的多个标志蛋白做以并行检测，进而获取一组分析信号来用于综合分析。

通过对不同的传感功能进行模块化划分，并对计敏感材料和传感器件进行合理设，该团队最终发展出一种普适性的电化学液体活检策略。

为了对外泌体实现直接、准确的检测，课题组从高性能 ELB 平台的构建出发，根据检测平台的几个关键技术指标，对实施方案进行合理化设计，并将不同的传感功能集成编码于 ELB 平台上。具体方法为：

首先，课题组引入全固态的氧化还原信号物质，将信号转导能力直接编码到电极材料上，借此提供一种高效、稳定的电化学活性传感界面；

其次，构建基于金属-有机框架材料（MOF，Metal-OrganicFrameworks）的三维纳米柱阵列结构，以获得充分暴露的功能性位点，从而用于生物识别分子的直接有效固定；同时，纳米柱阵列结构良好的电子传递能力，还可以放大电化学传感的信号，从而提升检测平台的灵敏度；

然后，在传感界面进行抗污染处理，进一步提升对于目标待测物的选择性识别能力；

最后，为了实现外泌体的准确检测，研究团队设计了多通道的电化学传感芯片，并在其表面集成了微流控通道，通过对外泌体表面多个蛋白标志物实施并行检测，以便获得更具体、更全面的信息，进而提高检测平台的准确性。

近日，相关论文以《用于电化学液体活检的金属有机骨架 ZIF-90-ZnO-MoS2 纳米杂化材料的设计与应用》（Design and Application of Metal Organic Framework ZIF-90-ZnO-MoS2 Nanohybrid for an Integrated Electrochemical Liquid Biopsy）为题发表在 Nano Letters（IF 12.3）上。张源担任共同一作兼通讯，其团队的诸昊担任共同一作；美国杜克大学生物医学工程系代怡帆博士担任共同通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nano Letters）

和上海大学的 16 年渊源

张源表示，研究中一个比较有意思的实验，是用电子显微镜去观察敏感材料对外泌体的捕获现象。

事实上做这个实验时，他们已基本完成了所有研究，并开始准备论文的撰写。但是，张源突然意识到，要在论文中说明敏感材料拥有对外泌体选择性捕获的能力，却没有提供很直观的证据的话，那么只有传感性能测试结果会很难支持这一观点。

因此，课题组开始准备样品去做透射电子显微镜（TEM，Transmission electron microscope）的表征。

“然而，实验并不像想象中那么顺利，在更改了多次外泌体的固定条件后，都很难在 TEM 下面观察到理想的外泌体形貌；而且由于 TEM 制样方法的限制以及电子束的影响，好久之内都没有观察到纳米敏感材料表面捕获的外泌体。这个时候又刚好遇上研究生要毕业，实验就暂时搁置了。”张源说。

很久之后，她还是觉得应该再试试。因此，其和团队又重新更换固定方法，决定换用扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope）。

幸运的是，这一次他们确实在 SEM 下观察到了纳米敏感材料表面，还“抓到”了许多小囊泡。经过一系列的实验优化后，敏感材料终于能以选择性的方式，去捕获外泌体的可视化表征。至此，针对所提出的观点，他们可算集齐了直观证据。

（来源：Nano Letters）

不过对于目前的工作，张源认为所使用的传感界面抗污染修饰、以及生物识别分子的固定技术，依旧不够完善。

后续，针对这两部分工作，她和团队会继续进行研究。在传感界面的抗污染修饰上，他们会继续寻找合适的抗污染材料，并对抗污染机理进行详细研究，以筛选并获取理想的抗污染分子、以及让修饰技术可以抵抗体液环境中的非特异性吸附。

在生物识别分子的固定技术上，他们会进一步开发合适的敏感材料，以便对特异性识别分子进行直接、定向的固定，使其充分暴露于活性位点，从而去捕获待测的标志物，进而提升传感检测的灵敏度和选择性。

值得注意的是，张源本硕期间分别学习应用化学和无机化学，博士则研究凝聚态物理，在美国访学时从事电化学生物传感器研究，做博士后时则聚焦在材料研究。而其硕博均毕业于上海大学，毕业后顺利留校任教。从读书到工作，她和上大的渊源已有 16 年之久。

对此学习经历她表示：“很多研究都需要不同学科间的融合，从而解决新问题和新挑战。”对于生化传感器的研究而言，普遍要经历两个信息转换界面：在第一界面将生化分子特异性作用，转化为某种物理效应；在第二界面将敏感效应物理量，转换为读出信号。这两个界面上各种传感行为的发生，都离不开物理、化学以及生物的作用规律和效应。而跨学科的学习经历，让我能从不同角度去分析问题，也更容易发现解决问题的新思路。

参考资料：

1.Zhang, Y., Zhu, H., Ying, Z., Gao, X., Chen, W., Zhan, Y., ... & Dai, Y. (2022). Design and Application of Metal Organic Framework ZIF-90-ZnO-MoS2 Nanohybrid for an Integrated Electrochemical Liquid Biopsy. Nano Letters, 22(16), 6833-6840.