Adv Healthc Mater︱湖北大学研究团队通过使用液栅石墨烯场效应晶体管传感器实现对早期前列腺癌的精准诊断

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撰文︱李金华课题组

责编︱王思珍

在前列腺癌患者中，超过80%的患者是65岁以上的老年男性。在早期准确检测出前列腺癌可以有效降低死亡率。因为前列腺癌特异性抗原(PSA)水平升高可能与前列腺增生(BPH)或前列腺炎有关，使用PSA检测通常会导致前列腺癌的误诊和过度诊断，特别是在被称之为灰度区域的4 ng/mL到10 ng/mL的浓度范围之间。因此，开发新的检测技术有助于提高前列腺癌诊断的准确性。目前，对前列腺癌标志物的检测，主要以检测单一生物标志物为主，包括PSA、miRNA、DNA、蛋白质、离子和小分子等。同时对两种或更多种生物标志物进行检测有助于提高前列腺癌诊断的准确性，从而有效解决PSA检测的低特异性和低灵敏度的问题。

2023年11月3日，湖北大学材料科学与工程学院王贤保教授课题组李金华教授等在Advanced Healthcare Materials上发表题为“Portable and rapid dual-biomarker detection using solution-gated graphene field transistors in the accurate diagnosis of prostate cancer”的研究。该研究通过设计两种标志物联合检测器件，提高SGGT生物传感器对早期前列腺癌标志物PSA和肌氨酸(SAR)检测的准确性，并将SGGT传感器和开发的硬件平台进行集成，实现便携式微创检测。相对于检测一种标志物，检测多种标志物可以提高检测准确性，根据靶标PSA和肌氨酸(SAR)，选择适配体作为分子探针，与抗体探针相比，适配体具有更高的亲和力和更低的成本。

图1. 基于SGGT生物传感器的便携式诊断平台示意图

传统PSA检测方法包括酶/纳米酶联免疫吸附试验(ELISA)、实时扩增PCR、表面等离子体共振光谱(SPR)、Föster共振能量转移(FRET)和其他光学检测方法。对SAR的检测主要采用肌氨酸氧化酶催化的方式。这些检测方法存在灵敏度低、检测时间长、仪器复杂和不易实现便携检测等缺点。本论文所设计的便携式诊断平台旨在同时检测早期前列腺癌标志物PSA和SAR，以提高前列腺癌诊断的准确性。智能手机/pad通过原型机(prototype)控制生物传感器的工作电压，智能手机/Pad通过蓝牙(Bluetooth)模块传输信号给原型机，原型机采集生物传感器输出信号并将其传输到智能手机/Pad，智能手机/Pad对接收到的数据进行处理，显示诊断结果。

图2 SGGT传感器检测PSA和SAR

SGGT传感器通过在栅极修饰不同的适配体探针，通过分子对接软件，设计和优化适配体的结构。适配体的构象变化引起液栅石墨烯晶体管栅极表面双电层(EDL)的电容变化，进而产生电信号响应，实现了对PSA和SAR的高灵敏检测。两种生物标志物的最低检测限均可达到0.01 fg/mL，比现有检测技术低3~4个数量级，线性检测范围均为0.01 fg/mL~1 ng/mL。为了缩短检测时间，设计了脉冲电场电极，脉冲电场增强了适配体和靶标分子之间的相互作用，传感器对浓度为0.01 fg/mL的PSA和SAR分子的最快响应时间分别约为4.5分钟和13分钟，而其他检测方法的检测时间在1小时与2小时之间。

 图3. SGGT传感器直接检测血清样本中的PSA和SAR

文章结论与讨论，启发与展望

该传感器直接应用到患者血清样本中的PSA和SAR生物分子检测。结果表明，如果患者PSA值高而SAR水平低，可以诊断患者没有患前列腺癌。相反，如果PSA水平低而SAR水平高或者PSA和SAR值都很高，患者肯定患有前列腺癌。通过对PSA和SAR的检测，前列腺癌的诊断准确率可显著提升至100%。对于可以表征癌症类型而特异性性低的标志物，可以同时对两种或更多种标志物检测，提高诊断的准确性。该生物传感器能很好地区分癌症患者和对照组，对前列腺癌的早期诊断准确性明显高于PSA检测。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202302117

湖北大学材料科学与工程学院王贤保教授课题组邓明华博士为第一作者，李金华教授、华中科技大学同济医学院附属同济医院杨欢副主任医师和武汉大学人民医院陈朝威博士为本论文共同通讯作者。

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本文完