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血液肿瘤相关生物标志物的电化学传感检测

宫苗 ,  王晓英 ,  王晓宁

化学进展 ›› 2019, Vol. 31 ›› Issue (6) :894-905

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化学进展 ›› 2019, Vol. 31 ›› Issue (6) :894-905 DOI: 10.7536/PC181008
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血液肿瘤相关生物标志物的电化学传感检测

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Electrochemical Sensing Detection of Biomarkers in Hematological Malignancies

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摘要

血液肿瘤是一类严重危害人类健康的血液系统恶性疾病,主要累及骨髓、血液及淋巴组织。血液肿瘤相关生物标志物的定量检测是实现疾病精细化病理分型以实施靶向治疗进而改善预后的关键。本文对血液肿瘤相关生物标志物的种类、目前国内外常用的检测方法进行概述,重点阐述电化学生物传感器在检测血液肿瘤相关生物标志物方面的最新进展,并对血液肿瘤相关生物标志物电化学传感技术的未来发展方向提出展望,拟为其深入研究与应用提供参考。

Abstract

Hematological malignancies(HM) is a kind of malignant disease of hematology system which seriously threatens human health, mainly involving bone marrow, blood and lymphatic tissue. The quantification of biomarkers in hematological malignancies is the key for fine stratification analysis, personalized targeted therapy and prognostic improvement. In this paper, the specific types and the commonly used detection methods at home and abroad of the hematological malignancies related biomarkers are summarized and compared. Specifically, the latest application of new electrochemical biosensor for the hematological malignancies related biomarkers is mainly described. Furthermore, the summary of its future directions and the potential applications is given, which provides reference for the further research and application of the biomarkers in hematological malignancies.

Graphical abstract

关键词

血液肿瘤 / 生物标志物 / 检测方法 / 电化学生物传感器

Key words

hematological malignancies / biomarker / detection methods / electrochemical biosensor

引用本文

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宫苗, 王晓英, 王晓宁. 血液肿瘤相关生物标志物的电化学传感检测[J]. 化学进展, 2019, 31(6): 894-905 DOI:10.7536/PC181008
Miao Gong, Xiaoying Wang, Xiaoning Wang. Electrochemical Sensing Detection of Biomarkers in Hematological Malignancies[J]. Progress in Chemistry, 2019, 31(6): 894-905 DOI:10.7536/PC181008

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Contents

1 Introduction

2 Common biomarkers in HM

3 Routine inspection of biomarkers in HM

4 Electrochemical detection of biomarkers in HM

4.1 Single analyte

4.2 Double analytes

4.3 Multiple analytes

5 Conclusion and outlook

1 引言

血液肿瘤,即血液恶性肿瘤(Hematological malignancies, HM),系一种以骨髓及髓外造血器官正常细胞恶变成大量肿瘤细胞为特征,可侵袭及转移至全身,进而导致患者死亡,严重威胁人类健康的一系列血液恶性疾病的总称。其属异质性疾病,发病机制复杂,主要分为急/慢性白血病(Leukemia)、恶性淋巴瘤(Lymphoma)、多发性骨髓瘤(Multiple myeloma)[1],囊括30多种不同分型,且不同分型在病因学、临床表现、诊治方法及预后等方面均存在较大差异[2]。如急性白血病会产生大量的异常血细胞,并随后迅速侵入血液循环系统,掌握其具体分型和量化进展水平对于选择合适的治疗手段、调整治疗方案及监控患者的预后至关重要。慢性白血病患者在早期阶段一般无明显症状,病程可持续3~5年,有效的早期诊断可指导临床治疗,改善患者的生存周期。因此,需对疾病精细化分层诊断以实施靶向治疗进而改善预后。目前,血液肿瘤的临床诊断主要依赖于影像学检查,包括X射线、计算机断层扫描、磁共振成像、内窥镜检查及超声波等。虽然临床成像技术可对肿瘤“定位诊断”,但其敏感性低且区分良、恶性病变的能力有限[3]。同时,也常使用光、电镜对骨髓穿刺液或活检组织进行细胞形态观察、细胞化学染色、组织病理学研究等,从而做出“定性诊断”。但这些技术具有侵入性,不仅需要检验医生丰富的经验,还依赖良好的染色技术及高分辨率的显微镜;且临床所发现大多数患者已经进入中晚期,治疗和预后效果较差,病死率较高。

随着现代生物医学技术如分子生物学、基因组学等的快速发展,人们对血液肿瘤的发病机制有了更深入的认识,已经发现多种与血液肿瘤细胞产生、增殖、凋亡等一系列过程相关的重要的肿瘤生物标志物(Tumor biomarker, TM)。其可存在于肿瘤细胞和组织中,也可进入血液和其他体液中,反映血液肿瘤发生发展过程中的分子及遗传学改变,是衡量疾病存在状况和严重程度的可测指标。研究、检测TM具有非侵入性,其不仅为血液肿瘤的早期发现和诊断分型提供科学依据,也可用于制定个性化治疗方案、评价疗效以及评估预后。

2 血液肿瘤相关生物标志物

TM不仅可以是特定的细胞分子,还包括各类核酸、分泌蛋白质和小分子代谢物等。这些可用于鉴定生物有机体的生理状态、疾病病理特征的生物分子物质与血液肿瘤的发生发展及治疗预后有着密切的关系。常见的血液肿瘤相关TM主要有以下几类。

DNA类:主要有原癌/抑癌基因的过度表达、位点突变、染色体畸变、DNA甲基化等。如BCR/ABL融合基因是白血病中最重要的生物标志物之一,在95%慢性粒细胞白血病(CML)病例[4]及约30%的急性淋巴细胞白血病(ALL)病例[5]中都有发现。Bcl-2是位于18q21抑制细胞凋亡的基因,其过表达与淋巴瘤的发生和演变密切相关[6]。C-myc基因是位于 8q24 的原癌基因[7],可刺激细胞周期进程,阻止细胞分化。研究发现,在Ⅰ期恶性淋巴瘤中,C-myc基因即有较高的阳性表达率,证明在淋巴瘤发生的早期即可能有C-myc的激活进而参与肿瘤的形成及发展[8]。细胞遗传学也将C-myc基因作为研究恶性淋巴瘤机制的重点。

RNA类:微小RNA(miRNA) 的表达失调常导致肿瘤的发生、转移及药物抵抗,其在癌症患者中具有独特的改变模式,且可在体液中稳定存在,诸多优势使其成为一类理想的血液肿瘤TM用于诊断、治疗及预后,主要包括:其表达(1)常在癌症中失调;(2)常具有组织特异性;(3)在血液中表现出高稳定性;(4)获得血液样品的微创性。2002年首次证实miR-15/16在慢性淋巴细胞白血病(CLL)中下调[1]。研究发现B细胞淋巴瘤患者血清中miRNA-21、miRNA-155水平明显升高[9]。

蛋白类:在血液肿瘤发生过程中,各类基因过表达以及染色体异位等会导致相应表达蛋白的改变,如在细胞调节因子Bcl-2家族中存在的各类相关蛋白(Bcl-2、Bax等)[10]。同时,肿瘤细胞表面或内部会产生数量异常的蛋白、受体及一些特殊的酶等,其数量、状态及各种生理活动的变化,表明机体内有一些潜在的疾病。这些过表达的蛋白标志物可用于血液肿瘤的早期诊断和靶向干预治疗[11]。如CD20是35~37 kDa非糖基化四跨膜蛋白,在超过90%的B细胞淋巴瘤中表达,是抗体治疗的目标。

循环肿瘤细胞(CTC):癌细胞随着肿瘤生长发展从原发性或转移性实体瘤脱落进入外周血或淋巴系统中,形成CTC,其具有区别于正常细胞系的特定特征。检测CTC可为肿瘤细胞活性评估、诊疗疾病和药物的筛选提供一定的理论和实验支持。目前应用较多的血液肿瘤相关生物标志物的相关信息详见表1。

此外,肿瘤产生的病理变化会造成机体基础代谢发生改变,进而引起代谢物种类或浓度发生相应变化(脂类、糖类代谢物等),最终造成与正常个体之间代谢谱的差异,其可预测早期肿瘤细胞表型的改变。这类研究尚处于起步阶段未被用于常规实践,目前相关报道较少。

3 常规检测方法

TM的定量检测可对早期肿瘤诊断、预处理分期、确定肿瘤对化疗治疗的反应以及监测疾病进展和预后提供科学依据[10],针对DNA类血液肿瘤TM,常规实验室检测方法有荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization, FISH)[15]、实时聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction, PCR)[16]、DNA测序(DNA senquence)[17]等。FISH技术可检测数百Kb的断点区域。PCR、DNA测序可作为新的替代方法,具有较好的敏感性和特异性,但需专业性人员和标准化技术,成本较高。反转录聚合酶链反应(RT-qPCR)[18]和RNA测序(RNA senquence)[17]已成为用于检测特定RNA的最广泛使用的方法之一,也存在成本较高以及与即时便携式护理设备不完全兼容等问题。蛋白质类TM常用免疫组织化学(Immunohistochemistry, IHC)[19]、酶联免疫分析(Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)[20]等进行检测。IHC操作程序复杂,所需时间较长;ELISA灵敏度及阳性检出率仍有待通过实验方法的改进来进一步提高。流式细胞术(Flow cytometry,FCM)[21]是检测癌细胞的常用技术,即对外在快速流动状态中被荧光分子标记的单个细胞或生物颗粒进行多参数、快速准确地定量分析和分型,具有鉴别不同正常细胞群和识别异常表型细胞群的能力。目前血液肿瘤相关生物标志物常规检测方法详见表2。

目前,血液肿瘤中TM常规检测方法在灵敏度、分析速度及检测成本方面仍有很大的发展空间。因此,开发高效准确、快速简便的TM检测新方法,对血液肿瘤人群同步筛查与检测、病程变化与跟踪监护,进而实施针对性干预治疗具有重要意义。

4 电化学生物传感方法

生物传感器将生物间相互作用经转换器输出电化学(电致化学发光)、光学、热学、压电、声学和磁性等响应信号,解析这些信号与待测物之间的关联性,从而达到分析检测待测物的目的。特异性和非侵入性检测使其成为分析TM的热点工具[3]。其中,电化学生物传感器具有灵敏度高、选择性好、响应快速、成本低及能在复杂体系中进行在线连续监测等突出特征,近年来在研究与技术开发领域获得蓬勃发展。电化学生物传感器的巨大优势使其在TM研究中显示出良好的应用前景[22,23,24],目前已有大量电化学生物传感器用于血液肿瘤相关生物标志物的检测。根据检测靶标的类别、数量的不同,本文对近几年检测血液肿瘤相关生物标志物的电化学传感方法进行简要评述。

4.1 单靶标

选取某一种目标物进行传感检测,即为单靶标分析法。其直接量化产生的信号,受干扰小、选择性好、灵敏度高、响应快,常具有较好灵敏度和选择性,可在痕量水平下检测目标物。电化学生物传感器可分成标记型和无标记型检测系统。标记型生物传感器是指通过监测标记物与靶标相互作用时信号的变化以实现定量检测[25]。研究中常用的标记物有量子点(QDs)、金属离子、二茂铁(Fc)、亚甲基蓝(MB)、硫堇(TH)、蒽醌(AQ)及酶等具有(催化)氧化还原作用的电化学活性物质。无标记型传感器是由识别元件结合靶标,引起电极的电容、界面电子转移电阻发生变化,可直接对靶标定量检测。其中,电化学阻抗分析法(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)是最常用的手段。目前标记型传感器研究较多,报道文献中采用标记型传感系统实现了对DNA、RNA、蛋白和细胞类血液肿瘤标志物的分析检测。

4.1.1 标记性生物传感器

DNA生物传感器:通过核酸DNA的杂交反应实现目标物的检测。通常是将单链DNA(ssDNA)探针固定在电极表面,通过探针和靶标之间互补序列特异性杂交进一步捕获靶DNA(tDNA)构成双链结构(dsDNA),从而引发电化学信号的变化[5],用于tDNA的定量分析。其可通过增加标记物负载量(酶或纳米材料)[26]或借助核酸酶循环靶标以放大检测信号[27]实现高灵敏检测。如Wang等[28]制备壳聚糖-石墨烯(CS-GS)修饰玻碳电极(GCE),进一步聚合苯胺(PANI)、沉积Au纳米颗粒(AuNPs),经Au-S键固载生物素标记的发夹DNA,发夹DNA与tDNA杂交后发夹结构打开,进一步结合链霉抗生物素蛋白-碱性磷酸酶(SA-AP)经AP催化1-萘基磷酸酯(1-NP)获得检测信号,最低检测限(LOD)为2.11 pmol·L-1(图1A),已成功应用于实际样品中经PCR扩增DNA链的测定。后期Chen等[29]采用无酶的催化发夹组装(CHA)操作扩增信号,基于设计传感器发夹(HP)获得具有良好信噪比的通用DNA电路。即生物素标记的发夹H1先结合靶标再结合H2,所形成的双链体与固定在GS/PANI/AuNPs修饰电极上的捕获探针杂交,然后共价结合碱性磷酸酶(SA-ALP),以1-NP作为酶底物获得信号。

该方法已成功应用于K562细胞中经PCR扩增获得的BCR/ABL的检测,显示了其在临床应用上的潜力。同时结合两种放大策略如Hu等[30]利用环链替换聚合(Circular strand replacement polymerization, CSRP)作为目标循环程序检测BCR/ABL融合基因。通过Au-S键将分子信标(MBs)固定在电极上,结合tDNA后环被打开暴露出MBs的茎部分,在聚合酶辅助下,A1可以结合展开的茎部分并引发DNA的聚合。然后A2与两个不同的A1上的互补区域杂交产生含有丰富的氨基的长双螺旋体,再固载信号标签QDs后LOD低至2 fmol·L-1。本课题组构建系列以Ru(bpy)32+/银纳米颗粒(AgNPs)共掺杂Au的合金核壳光学复合纳米颗粒(RuAg@AuNPs)作为DNA标记物的p16基因的三明治型ECL传感器。分别采用(1)纳米聚硫堇(NPTh)修饰GCE电极[31],(2) 石墨烯(GR)掺杂聚酰胺6(PA6)电纺纳米纤维、GR、CS混合糊状物修饰SPCE,其进一步电聚合吡咯形成功能化复合物(PG/GR/CS/PPy)修饰电极[32],(3) 多壁碳纳米管(MWCNTs) 掺杂PA6纳米杂合纤维,进一步电沉积SiO2形成的修饰GCE电极[33],固载捕获探针,并进一步与p16基因、RuAg@AuNPs标记检测探针杂交形成三明治复合物实现对P16基因的定量检测。其中检测所达LOD最低达0.5 fmol·L-1(图1B),为其他TM检测提供了可能。电化学传感方法检测血液肿瘤中DNA类生物标志物详见表3。

miRNA生物传感器:常使用夹心法经核苷酸杂交实现miRNA的检测。Cheng等[40]制备AuNPs-石墨烯(Au-rGO)修饰GCE,组装DNA1以捕获目标miRNA-21,进一步结合DNA2形成夹心结构。采用Cd2+修饰的磷酸钛纳米粒子(TiP)作为信号探针,同时Ru(NH3)63+作为电子媒介体,通过静电作用结合在三明治结构上,检测线性范围为10-18~10-11 mol·L-1,LOD为0.76 amol·L-1。Wu等[41]将发夹DNA H1经Au-S键结合到多孔氧化石墨烯(GO)与AuNPs 复合物(GO/Au)功能化的GCE上。靶miRNA与H1杂交并打开其茎环结构以形成dsDNA,H1暴露序列可与另一发夹DNA H2结合形成稳定的H1-H2双链体,同时释放miRNA用于H2的下一个杂交周期。而H2的残余单链片段可与标记有PtNPs-多孔TiO2纳米球(p-TiO2@PtNPs)的DNA S1进一步杂交,基于三明治模型,PtNPs功能化醇氧化酶(AOx@Pt)标记的DNA S2与S1杂交以修饰GCE(图2 A)。通过AOx催化乙醇,并进一步由PtNPs和细胞色素c(Cyt c)电催化还原过氧化氢(H2O2)放大信号,MB作为标记物插入dsDNA中用于检测,LOD低至0.35 fmol·L-1,在人血清中回收率为93.98%~100.5%,为应用中miRNA-155的测定提供了一种新方法。电化学传感方法检测血液肿瘤中RNA类生物标志物详见表4。

蛋白传感器:针对蛋白类标志物主要基于抗原和抗体之间特异性结合形成稳定的抗原-抗体复合物的原理,并转化为可检测的电化学信号从而实现定性和定量的分析检测[45]。He等[46]建立了免疫夹心法简单有效地检测C-myc蛋白。通过半胱胺将C-myc抗体固定在电极上以捕获靶标,再特异性结合AuNPs标记二抗形成免疫复合物(图2B)。通过测量阻抗可间接确定C-myc蛋白浓度,在血清样品中加标回收率为96.2%~109%,显示了在实际样品中应用的潜力。本课题组[47]制备基于功能电纺纳米纤维的P53蛋白ECL传感器。经一步电纺制备MWCNTs掺杂CS纳米纤维,其电沉积AuNPs得到功能电纺纳米纤维(MWCNTs-CS-AuNPs)修饰电极,并固载捕获抗体;其进一步与P53蛋白、Ru(bpy)32+/AgNPs掺杂SiO2的核壳发光复合纳米粒子(RuAg/SiO2NPs)标记的检测抗体形成三明治复合物。经Ru(bpy)32+的ECL信号间接实现P53蛋白的定量检测,LOD为0.5 pg·mL-1,成功应用于正常人肘静脉血中P53蛋白的检测,与ELISA检测结果吻合。

细胞生物传感器:常采用抗原抗体作为细胞检测的识别元件,通过与细胞表面某些基团发生特异性免疫反应捕获靶标,并转化为可检测的电化学信号,从而实现定性定量的分析。Xu等[48]采用电化学免疫分析Bax蛋白在肿瘤细胞上的表达,将Bax抗原、HRP共固定在TH-GN-CS复合物修饰GCE上,肿瘤细胞、游离Bax抗体与电极上固定的Bax抗原发生竞争结合,Bax抗原-抗体复合物因空间位阻效应导致HRP-H2O2-TH体系的DPV信号的降低,由此定量检测细胞并评估Bax蛋白在其表面的表达(图3A),LOD为1.5 pmol·L-1,在稀释血清样品中回收率为96.2%~109%。结果也证明Bax蛋白的下调是导致肿瘤细胞耐药性的重要因素之一。

最近,适配体(aptamer)也常作为识别元件用于细胞检测。适配体是短的单链寡核苷酸,通常对靶标具有高度亲合性和特异性[49]。与传统的生物分子配体如抗体相比,适配体体积较小且更稳定,可以更好地选择性识别目标肿瘤细胞[11],这些均使适配体成为生物传感应用中理想分子识别工具。如Yu等[50]使用固定在金电极上的T2-KK1B10适配体捕获K562细胞,然后加入生物素标记的伴刀豆球蛋白A(bio-ConA)以识别K562细胞表面甘露糖基团,链霉亲和素修饰的ALP与bio-ConA特异性结合以催化α-NP磷酸盐形成α-萘酚(图3B),LOD为79 cells·mL-1,成功用于临床血液标本中K562细胞的检测。Zhang等[51]使用碳量子点修饰的氨基功能化ZnO纳米球(ZnO@CQDs)作为ECL标记物, ssDNA被固定在纳米多孔金(NPG)修饰的SPCE上与K562细胞特异性结合,然后Con A缀合的ZnO@CQDs用于选择性识别细胞表面碳水化合物(图3B)。与FCM方法比较相对误差小于4.3%,表现出方法的可靠性。电化学传感方法检测血液肿瘤细胞详见表5。

4.1.2 无标记型生物传感器

文献中采用无标记型电化学传感方法多为对血液肿瘤中的DNA及CTC标志物进行检测,一般基于化学方法通过共价连接作用将捕获探针固定在电极表面以结合靶标,包括Au-S键[61]、氨基-羧基[62]、氨基-磺酸基[63]等,也有基于物理方法的静电吸附作用[64]或氨基酸功能化进行交联[65]。

在进行电化学检测时由于电极比表面积小,EIS测量表面空间位阻变化也有限,研究者们设计了诸多信号放大策略以增加灵敏度。主要是传感界面的修饰,常在电极表面修饰纳米粒子或大分子材料等以扩大电极比表面积,提高电导率并增加捕获探针负载量,实现信号放大。Zhang等[61]利用AuNPs/PANI纳米纤维(PANI-NF)复合界面设计了基于细胞表面抗P糖蛋白(抗P-gp)的电化学生物检测。带负电荷AuNPs和带正电的PANI-NF之间静电相互作用可能会进一步促进连接从而有效负载K562/ADM细胞(图4 A),LOD为80 cells·mL-1,经FCM分析细胞上P-gp表达水平也证实了实验结果。

无标记型ECL检测主要基于设计核酸序列开发传感策略从而实现对生物分析物的放大扩增检测。相较于使用酶[66],纳米颗粒[67]和纳米复合材料[68]等放大标记信号方法更为简便。Xu等[69]建立了一种基于原位非线性杂交链式反应(N-HCR)和触发发夹开关的ECL传感器灵敏检测BCR/ABL融合基因,无需附加蛋白质或纳米颗粒。将包含N-HCR系统的混合物装配在捕获探针修饰的金电极表面,其中发夹开关中的触发DNA启动的双链底物自发组装成树枝状纳米结构,靶标存在情况下,可以打开发夹开关并与捕获探针杂交从而将DNA树枝状聚合物引入电极表面,产生指数扩增。然后Ru(phen)32+络合物通过与双链DNA作用以强亲合力插入DNA树枝状聚合物沟槽中,导致二次信号放大(图4B)。在正常人血清样品中回收率为90.00%~98.40%,相对标准偏差(RSD)< 3.30%。无标记型电化学传感方法检测血液肿瘤中生物标志物详见表6。

电化学传感方法中标记型生物传感器由于标记物的高电化学活性及有效的信号扩增技术,常有更高的灵敏度,但标记过程可能较为复杂并影响探针与靶标间的生物亲合性[45]。信号扩增技术如CSRP、PCA等费用较高,也使这些传感器的商业化受到阻碍。无标记型电化学传感器无需标记直接对目标物质进行检测,省时且成本较低;保持了识别元件对靶标的亲合力从而避免二次检测和标记试剂所带来的干扰,但在实际中也存在一些缺陷,如在实验中电极表面结合的识别元件可能脱落,依赖电极表面物质固载量的EIS会产生波动从而出现误差,导致实际检验中准确度相对较差,制约其实际应用。因此,在保证灵敏简便的前提下提高电化学传感器的实用性是当下急需解决的问题。

4.2 双靶标

鉴于大多数肿瘤具有不止一种TM,同时某一项TM对不同类型肿瘤的流行病学价值也各不相同[76],单一TM的敏感性和特异性均十分有限,难以准确反映肿瘤的复杂性,目前逐渐开发了双靶标的电化学检测即选取两个TM进行分析。根据不同的靶标,可以采用依次逐步检测,也可在一个传感系统中实现同步检测。

4.2.1 分步检测

分步电化学检测指通过不同实验过程中依次对不同靶标实现逐步检测。如Jie等[67]构建了一种新型PAMAM树状分子/CdSe-CdS-QDs纳米簇作为信号探针,用于DNA和癌细胞的ECL和ASV测定。在CNTs/AuNPs修饰电极组装DNA探针,先结合tDNA再识别QDs-DNA信号探针,LOD为3.2 fmol·L-1。此外,Fe3O4@AuNPs功能化电极被用于固定适配体以结合靶细胞,经ASV检测上述同一信号探针中Cd2+(图5A),LOD为89 cells·mL-1。Zheng等[77]建立了一种灵敏检测白血病细胞并评估细胞表面死亡受体DR4/DR5表达的传感方法。基于肿瘤坏死因子凋亡诱导配体(TRAIL)与DR4/DR5结合促进白血病细胞凋亡,在GCE上依次组装PAMAM-AuNPs、掺杂氮CNTs和KH1C12以结合HL-60细胞,AuNPs修饰的Fe3O4作为信号探针并固定TRAIL和HRP进而特异性识别DR4/DR5,再经HRP催化检测TH氧化的电化学信号,LOD为660 cells·mL-1。后期也选取了对TRAIL敏感的Jurkat细胞进行了平行实验,证实了DR4/DR5的量与TRAIL易感性相关。

4.2.2 同步检测

双靶标同步电化学检测指在单个分析流程中实现两种分析物的同步分析,常通过单电极双标记或基于空间分辨的双电极单标记实现同时检测[25]。与传统平行单组分检测模式测定的耗时耗力及结果可能出现批次误差等相比,同时检测不仅具有检测时间短、步骤简化、样品量小、检测效率高及花费少等特点,而且可以提高检测的特异性,适合人群样本的快速筛查与检测,具有极好的应用前景。

目前,关于血液肿瘤相关标志物的双靶标检测仅见单电极双标记。如Zhu等[78]使用GS和AuNPs修饰电极,再用硫醇化适配体SH-KH1C12和SH-Sgc8c进一步功能化以选择性捕获HL-60和CEM细胞。分别用TH和AQ标记的HRP和细胞靶向核酸适配体共功能化的杂化电化学纳米探针作为标记物,对AML、ALL细胞进行同时检测,LOD低至350 cells·mL-1。后期Zhu等[79]继续采用RGO修饰电极以固定Bcl-2和Bax抗体并进一步捕获靶抗原,介孔SiO2扩增的CdSeTe@CdS-QDs和银纳米簇分别与二抗结合作为信号探针。通过双信号标记的电化学免疫夹心法间接检测Bcl-2和Bax蛋白(图5B),Bcl-2和Bax抗原的量与Ag和Cd的氧化峰电流强度成正比,线性范围为1~250 ng·mL-1,LOD为0.05 fmol·μL-1。

此外,Akhavan等[80]制备GO-Mg2+修饰的海绵状石墨烯电极(SGEs),使用SGEs检测正常、K562细胞分别在0.76、0.61 V处出现DPV响应信号。而采用GCE进行检测仅出现一个重叠峰,研究发现是由于SGE上细胞的鸟嘌呤的氧化导致出现不同信号。检测K562细胞线性范围是1.0×105~0.1 cells·mL-1,LOD低至0.02 cells·mL-1。实验对比了其他不同的白血病细胞,结果显示 SGEs不仅可有效地检测各种白血病细胞,还可应用于早期白血病的快速可靠诊断。

4.3 多靶标

对于两个以上的TM进行检测即为多靶标电化学检测,相对单/双TM检测,其可提供更好的诊断特异性,避免可能产生的假阳性结果。根据不同肿瘤和不同TM的特性,合理选择多种TM进行联合检测是显著提高TM的总检出率及流行病学应用价值的有效方法。文献中多靶标传感器常采用单电极多标记或基于空间分辨多电极单标记进行检测[25]。其中单电极多标记是指应用单个工作电极,多种标记物分别对应相应的靶标,以产生可区分的电化学信号,但可能存在信号交叉干扰和不同标记检测条件的差异问题;基于空间分辨多电极单标记是指应用多个工作电极(阵列),多种靶标仅使用一种标记物,利用空间分辨模式检测多种靶标,其具有较好的稳定性和灵敏度,适合于高通量多分析物联合测定。如Ju等先后构建基于空间分辨的DPV[81]、ECL[82]免疫传感器分别实现三种蛋白标志物的同步联合检测。

目前,电化学同步联合检测同类血液肿瘤相关多标志物仅见基于空间分辨多电极单标记的少量报道,而不同类别血液肿瘤相关多标志物电化学同步联合检测未见报道。如Du等[83]构建基于四个工作电极传感阵列用于同时检测磷酸化P53392、P5315、P5346和总P53蛋白质。

工作电极分别固载不同的捕获抗体,经电场正电位驱动带负电荷的相应抗原到电极表面,再用负电位加速带正电荷的金纳米棒负载HRP标记的检测抗体,形成三明治复合物;经HRP-H2O2-TH体系的SWV信号,同时检测P53392、P5315、P5346和总P53,LOD分别为5、20、30和10 pmol·L-1,该免疫传感阵列在癌症的早诊和临床研究中具有良好前景。Wu等[84]组建一种基于微流体纸基电极的电化学发光折光细胞装置(μ-PECLOC),实现对三种血液肿瘤细胞HL-60、K562、CCRF-CEM的同时检测。采用AuNPs修饰自制的纸单元电极(Au-PCE),经相应适配体进一步功能化四个Au-PCE的纸张区域。使用标记Con-A的多孔AuPd合金纳米颗粒作为生物探针,通过Con-A特异性识别癌细胞表面上的甘露糖进而结合标记探针(图6)。该μ-PECLOC显示出良好的特异性、稳定性、重现性和准确性,提供一次性简便和快速低成本检测癌细胞的方法。

5 结论和展望

本文以血液肿瘤中相关生物标志物为核心,就血液肿瘤中生物标志物的种类、目前国内外常用的检测方法进行概述和比较,重点阐述新型电化学生物传感方法在血液肿瘤相关生物标志物检测方面的相关应用。但是,面对临床实际样品中痕量级存在的生物标志物,提高电化学生物传感方法的灵敏度、特异性以及实用性仍是当前的重要课题。纵观国内外的研究现状,血液肿瘤生物标志物电化学生物传感方法具有如下的发展趋势。

(1)丰富单靶标检测的种类。目前,研究检测的标志物相对于标志物种类较少,可开发更多标志物的检测,拓宽电化学检测血液肿瘤生物标志物的思路和手段。

(2)提高多靶标检测的个数。血液肿瘤生物标志物分析研究仍停留在单一及双标志物检测,选择特定肿瘤的多种类型典型标志物进行联合检测可以使得检测更具有特异性,提高肿瘤检测的敏感性和检出率。

(3)拓展多靶标同时检测。传统的平行单靶标分析周期长、试剂消耗多、工作量大、测定结果会出现批次误差;能在单一流程中实现多种血液肿瘤相关生物标志物同时检测,省时省力且效率高,适合现场人群的快速筛查与检测,是肿瘤流行病学研究的首选方案。

(4)提高传感检测的实用性。目前电化学生物传感器对人群样本中标志物分子检测效果不理想。将传感设计与人群样品前处理有效偶联,集靶标提取、富集、检测为一体,有效提高传感器的实用性,将是未来研究的重点。

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基金资助

国家自然科学基金项目(81302472)

国家自然科学基金项目(81600179)

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