寧波材料所SERS探針腫瘤體外診斷系列研究進(jìn)展
惡性腫瘤嚴(yán)重威脅人類生命健康，“早診、早治”是根治腫瘤的最佳途徑。目前臨床腫瘤診斷方法主要依賴手術(shù)和穿刺活檢，是侵入性檢查手段，給患者帶來了生理痛苦和心理負(fù)擔(dān)。因此開發(fā)一種非入侵式、高檢測靈敏度的譜學(xué)/圖像分析引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)體腫瘤的前期診斷和術(shù)后評估是實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)診斷的關(guān)鍵，也已成為材料科學(xué)和生物學(xué)科等多學(xué)科交叉領(lǐng)域共同關(guān)注的重要科學(xué)問題。納米材料表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）光譜/圖像具有高檢測靈敏度、選擇性增強(qiáng)特性、穩(wěn)定性高、可提供組分指紋信息等檢測優(yōu)勢，可高效應(yīng)用于腫瘤的液體活檢，實(shí)現(xiàn)外周血樣中腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)診斷。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所納米生物材料團(tuán)隊(duì)在SERS生物探針材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究方面取得了系列進(jìn)展。
納米生物材料團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）光譜和磁共振造影（MRI）增強(qiáng)的Fe3O4雙模態(tài)成像生物探針，研究發(fā)現(xiàn)超小粒徑Fe3O4納米粒子具有顯著的SERS活性（5×10-9 M檢測極限）。Fe3O4納米粒子具有高效的光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移（PICT）效應(yīng)歸因于Fe元素的多個價態(tài)能級促進(jìn)電子躍遷。密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了超小粒徑Fe3O4納米粒子的窄帶隙和高電子態(tài)密度能夠明顯提高SERS-目標(biāo)分子體系中的振動耦合共振效應(yīng)。通過構(gòu)建具有高靈敏度和腫瘤靶向特異性的Fe3O4生物探針，可以實(shí)現(xiàn)不同亞型三陰乳腺癌腫瘤細(xì)胞的體外SERS信號/成像區(qū)分鑒定。同時，F(xiàn)e3O4的生物探針也展現(xiàn)出對荷瘤小鼠體內(nèi)腫瘤的主動靶向MRI造影特性，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體生物探針的SERS-MRI雙模態(tài)成像分別用于體外和體內(nèi)腫瘤成像，不僅在腫瘤早期診斷中具有優(yōu)勢，而且在影像引導(dǎo)腫瘤治療方面具有巨大潛力（圖1）。相關(guān)成果以“Multiple Valence States of Fe Boosting SERS Activity of Fe3O4 Nanoparticles and Enabling Effective SERS-MRI Bimodal Cancer Imaging”為題發(fā)表在國家自然科學(xué)基金委主辦的綜合性英文學(xué)術(shù)期刊Fundamental Research（https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.04.018）。
進(jìn)一步，為了高效提取外周血樣中的腫瘤細(xì)胞，提高SERS納米生物探針對腫瘤細(xì)胞的靶向檢測能力。納米生物材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧波諾丁漢大學(xué)任勇副教授團(tuán)隊(duì)，合作開發(fā)了微流控富集分離與拉曼光譜快速檢測腫瘤細(xì)胞技術(shù)，開發(fā)出一種新型的基于微篩分離手段和腫瘤靶向特性的黑色氧化鈦（B-TiO2）SERS生物探針用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）原位檢測。該研究先利用微篩芯片對人體血液中目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行純化分離，以排除大部分血液細(xì)胞的干擾，再利用葉酸修飾的SERS生物探針識別芯片上捕獲的腫瘤細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)外周血樣中單個腫瘤細(xì)胞篩選和原位檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高檢測靈敏度、特異性和準(zhǔn)確性。更重要的是，該研究工作設(shè)計(jì)的微流控-SERS生物探針能夠有效應(yīng)用于臨床腫瘤樣本的有效檢測，有望為循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測提供新的策略（圖2）。相關(guān)成果以“TiO2-based Surface-Enhanced Raman Scattering bio-probe for efficient circulating tumor cell detection on microfilter“為題發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics，2022，210：114305（https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114305）。
此外，納米生物材料團(tuán)隊(duì)開發(fā)了生物相容性較好、具有選擇性增強(qiáng)特性、光譜穩(wěn)定性強(qiáng)的半導(dǎo)體氧化銀SERS納米生物探針，應(yīng)用于外周血樣的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測。該研究先利用淋巴細(xì)胞分離液對外周血樣中的血細(xì)胞進(jìn)行分離，排除紅細(xì)胞和白細(xì)胞對SERS檢測的干擾，再通過葉酸修飾的SERS生物探針靶向識別血樣中的腫瘤細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)外周血樣中單個循環(huán)腫瘤細(xì)胞的原位精準(zhǔn)檢測。肺癌患者外周血樣的有效準(zhǔn)確檢測也證明了Ag2O基SERS生物探針具有優(yōu)異的臨床應(yīng)用前景（圖3）。相關(guān)成果以”O(jiān)ctahedral silver oxide nanoparticles enabling remarkable SERS activity for detecting circulating tumor cells”為題發(fā)表在Science China life science，2022，65: 561-571（https://doi.org/10.1007/s11427-020-1931-9）。
為了進(jìn)一步研發(fā)高SERS活性的半導(dǎo)體納米材料，納米生物材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)郭林教授團(tuán)隊(duì)，通過制備多孔ZnO納米片，在材料表面引入大量缺陷態(tài)，提高了ZnO材料的SERS增強(qiáng)因子，并發(fā)現(xiàn)一種低溫增強(qiáng)半導(dǎo)體SERS活性的方法，低溫可以有效削弱晶格的熱振動，從而減少聲子相關(guān)的非輻射躍遷復(fù)合，能夠有效促進(jìn)表面缺陷態(tài)能級相關(guān)的電子躍遷，展現(xiàn)出了低溫SERS生物傳感的應(yīng)用潛力（圖4）。相關(guān)成果以”Low temperature-boosted high efficiency photo-induced charge transfer for remarkable SERS activity of ZnO nanosheets”為題發(fā)表在Chemical Science,2020, 11, 9414（https://doi.org/10.1039/d0sc02712j）。
基于上述開發(fā)的系列SERS納米生物探針，通過與浙江省腫瘤醫(yī)院邵國良主任醫(yī)師團(tuán)隊(duì)合作，SERS探針能夠有效用于臨床病人外周血樣中的乳腺癌、肝癌和肺癌循環(huán)腫瘤細(xì)胞的準(zhǔn)確檢測，已完成180例不同癌種臨床樣本有效檢測，檢測靈敏度可以達(dá)到單細(xì)胞水平，檢測準(zhǔn)確度可達(dá)90%以上。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，SERS生物探針可有效區(qū)分不同亞型的乳腺癌腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)乳腺癌分子分型鑒定檢測（專利申請?zhí)枺?02110745849.1、202210148829.0、202210425260.8）。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金（32025021）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31971292）和青年基金（52002380）、中科院STS項(xiàng)目（KFJ-STS-ZDTP-061）、浙江省及寧波市（2019C03058、2019A-14-C）等項(xiàng)目的資助。
圖1 表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）光譜和磁共振造影（MRI）增強(qiáng)的Fe3O4雙模態(tài)成像生物探針
圖2 微流控富集分離與拉曼光譜快速檢測腫瘤細(xì)胞技術(shù)
圖3 Ag2O基SERS生物探針用于腫瘤細(xì)胞檢測
圖4 半導(dǎo)體材料低溫SERS效應(yīng)
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