文章导读

随着科技的进步，医疗领域也在不断地革新。在癌症诊断这一关键领域中，一种新型的生物传感器技术——表面等离子共振 (SPR) 传感器，因其高灵敏度、无标记、实时监测的特性，正受到越来越多的关注。本文将带您深入了解SPR传感器的工作原理，探讨其在检测癌症生物标志物方面的独特优势，以及如何通过这一技术实现对癌症的早期预警。本篇文章由美国路易斯安那州立大学Manas Ranjan Gartia团队撰写并发表于 Biosensors 期刊，文章将详细介绍SPR传感器在液体活检中的应用，包括循环肿瘤细胞 (CTCs)、循环肿瘤DNA (ctDNA)、微小RNA (miRNA) 和蛋白质标志物的检测；同时，还将探讨SPR技术在实际临床应用中面临的挑战，以及科研人员如何通过创新来克服这些难题。

研究过程和结果

SPR传感器技术依赖于光与金属表面 (通常是金或银) 之间的相互作用，产生一种名为表面等离子体的电磁模式 (图1)。当特定波长的光入射到金属表面时，如果满足共振条件，就会激发表面等离子体的振荡，导致光的反射强度显著降低。这种共振现象对金属表面附近的折射率变化极为敏感，因此可以用于检测生物分子的结合事件。

图1. SPR示意图。

SPR传感器的类型与应用

• 流体型SPR

通过将传感器浸入液体样本中进行测量，适用于实时监测分子间相互作用。

• 局部SPR (LSPR)

利用金属纳米颗粒的局部场增强效应，对纳米颗粒表面附近的分子变化进行检测。

• SPR成像 (SPRi)

能够同时检测数千种生物分子的相互作用，适用于高通量筛选。

循环肿瘤细胞 (CTC) 和循环肿瘤DNA (ctDNA) 的SPR检测

CTC和ctDNA是液体活检中的两个关键生物标志物，它们的检测对于癌症的早期发现和治疗监测至关重要。SPR传感器能够通过特定的生物识别分子 (如抗体或DNA探针) 捕获这些稀有的细胞或DNA片段，实现高灵敏度的检测 (图2)。

图2. (A) 芯片表面循环肿瘤细胞的图解；(B) SPR的传感器图。

• miRNA

miRNA作为调控基因表达的关键分子，在多种癌症中表现出异常表达。SPR传感器技术能够通过特定的DNA探针特异性地检测这些miRNA分子，为癌症的诊断和预后评估提供了新的工具。

• 蛋白质标志物

蛋白质标志物，如CEA、CA125、PSA等，在癌症的诊断和监测中具有重要价值。SPR传感器技术能够通过抗体-抗原反应实现对这些蛋白质的高灵敏度检测。

• 外泌体

外泌体是细胞间通讯的重要媒介，它们在癌症发展和转移中扮演着关键角色。SPR传感器技术能够通过特定的表面修饰剂或抗体，实现对外泌体的直接检测。

SPR传感器技术的挑战与解决方案

• 提高灵敏度

通过使用纳米材料或特殊表面修饰剂增强SPR信号。

• 增强选择性

通过优化生物识别分子的设计和固定化技术，提高对特定标志物的选择性。

• 解决复杂样本中的干扰问题

通过样本预处理或开发多信号检测系统减少非特异性结合。

文章总结

随着纳米技术、微流控技术和计算模型的发展，SPR传感器技术有望实现更高的灵敏度和选择性，更广泛的临床应用，以及更便捷的操作和更低的成本。此外，SPR传感器技术与人工智能和大数据分析的结合，将进一步推动个性化医疗和精准医疗的发展。SPR传感器技术以其独特的优势，在癌症生物标志物检测领域展现出巨大的潜力。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，SPR传感器将成为未来癌症早期诊断和治疗监测的重要工具。此外，SPR传感器技术在癌症治疗监测、药物筛选和个性化医疗中的应用具有较大潜力。随着技术的不断成熟和成本的降低，SPR传感器有望成为癌症诊断领域的重要工具，为患者带来更早的诊断和更有效的治疗方案。让我们一起探索这一革命性技术如何为癌症检测带来新的希望，并开启医疗诊断的新篇章。

原文信息

Das, S.; Devireddy, R.; Gartia, M.R. Surface Plasmon Resonance (SPR) Sensor for Cancer Biomarker Detection. Biosensors 2023, 13, 396. https://doi.org/10.3390/bios13030396

Biosensors 期刊介绍

期刊主要发表生物传感器及其技术和应用方面的研究论文。内容涵盖DNA芯片、微流体装置、纳米生物传感器及其应用、生物传感器制造、生物传感器材料、芯片实验室技术和生物传感器在生物医药、食品质量与安全等领域的应用。

• 2023 Impact Factor: 4.9
• 2023 CiteScore: 6.6