典型癌症标志物的SERS免疫分析及光热免疫分析新方法

【摘要】：癌症亦称恶性肿瘤,是当前严重影响人类健康、威胁人类生命的主要疾病之一。近些年来,癌症呈现出越来越年轻化的趋势。世界卫生组织(WHO)指出,如果能早期诊断并及时治疗,90%~95%的肿瘤5年存活率可高达90%以上。早发现是解决癌症防与治的关键中的关键。然而遗憾的是,在癌症的早期患者很难察觉不适症状。当无症状的肿块发展成为患者可察觉的实体瘤时,部分肿瘤已经处于中晚期,甚至有的肿瘤已经发生了转移,这使很多患者错过了最佳的治疗时期。多数肿瘤从无症状的癌症早期阶段发展到可察觉的实体瘤阶段,需要5~10年的漫长时间。如果能够在这段时间内运用检测技术,对癌症进行早发现、早诊断、早治疗,不仅能取得良好的治疗效果,并且可以大大提高患者的存活率。目前,癌症标志物检测是早期发现无症状微灶肿瘤的唯一途径。癌症标志物是指在肿瘤发生和增殖过程中,由肿瘤细胞本身合成、释放或由机体对肿瘤细胞反应而产生的标志肿瘤存在和生长的一类物质,主要包括蛋白质、激素、酶、多肽、癌基因产物等。这些癌症标志物在正常成人中不存在或者是在癌症患者中出现的水平显著高于正常人。在癌症的早期癌症标志物的表达量极低,目前临床上使用的癌症标志物的检测方法存在灵敏度低、操作步骤复杂和检测成本高等缺点而达不到对癌症的早期诊断的目的。针对上述癌症标志物检测的背景以及存在的问题,为了达到对癌症标志物灵敏度高、操作简单、低成本检测的目的,本文将贵金属纳米材料、氧化石墨烯银纳米复合材料以及铜硫属半导体纳米材料引入免疫分析技术当中,利用纳米材料优良的光学性质建立了一系列高灵敏的癌症标志物的检测方法。具体的研究内容如下:1.酶诱导Au@Ag核壳纳米结构信号放大甲胎蛋白(AFP)的超灵敏SERS免疫分析。金、银纳米颗粒是SERS中应用最普遍的基底。本文利用酶诱导合成Au@Ag核壳纳米粒子建立SERS免疫分析方法对甲胎蛋白(AFP)进行了检测。在该免疫反应体系中,碱性磷酸酶(ALP)可以使其底物2-磷酸-L-抗坏血酸三钠(AAP)脱磷酸变成具有强还原力的抗坏血酸(Vc),Vc可以还原AgNO_3生成银单质沉积于AuNPs上形成Au@Ag核壳纳米结构,银壳大大增强了修饰在金核上面的拉曼报告分子的拉曼信号,以此实现对AFP的超灵敏检测。相较于传统的ELISA显色法,本体系建立的SERS免疫分析方法灵敏度提高了3-4个数量级,并可成功地对癌症患者的血液样品进行检测,证明该方法具有潜在的临床应用前景。2.酶诱导银溶解反应对前列腺特异性抗原(PSA)超灵敏SERS免疫分析。该方法利用酶信号放大和纳米材料信号放大的双重放大策略实现了对前列腺特异性抗原(PSA)的超灵敏检测。葡萄糖氧化酶(GOx)可以氧化其底物葡萄糖产生过氧化氢(H_2O_2),H_2O_2可以溶解氧化石墨烯银(GO-AgNPs)复合纳米材料上的AgNPs使得氧化石墨烯(GO)的拉曼信号下降。以此建立SERS免疫分析方法实现对PSA的超灵敏检测。在拉曼信号输出方面本方法采取了GO自身的拉曼信号,和在金胶上面修饰拉曼报告分子相比,利用GO自身的拉曼信号方法免修饰更简单。该方法对PSA的检测灵敏度极高,并且我们将该方法用于前列腺癌患者血液样品中PSA的检测,得到的结果与临床检测结果一致。3.基于Cu_(2-x)S_ySe_(1-y) NPs催化点击化学信号放大前列腺特异性抗原(PSA)SERS免疫分析方法。硫硒化铜纳米粒子(Cu_(2-x)S_ySe_(1-y) NPs)具有独特的催化点击化学的性质,本研究通过抗体修饰的Cu_(2-x)S_ySe_(1-y) NPs释放Cu~+催化炔基、叠氮基PEG发生点击化学反应建立SERS免疫分析检测方法。炔基在拉曼沉默区具有很好的拉曼伸缩振动峰,反应物炔基PEG吸附于AgNPs上产生强烈的SERS信号。随着靶物的增加,通过靶物引入的Cu_(2-x)S_ySe_(1-y) NPs也相应增加从而导致Cu~+释放增加,炔基PEG参与点击化学反应被消耗引起其SERS信号下降。以此建立PSA的SERS免疫分析检测方法。该方法利用纳米材料代替传统生物酶,克服了传统生物酶在激烈的反应条件下不稳定的性质,实现了对PSA的灵敏检测。4.钴掺杂Cu_(2-x)Se NPs的制备及其在甲胎蛋白(AFP)SERS免疫分析检测方面的应用。掺杂的纳米材料不仅可以保持原有纳米材料的优良性质,更由于其他元素的掺杂使其又拥有了不同于原有纳米材料的新特性。本研究建立的免疫分析方法基于Co~(2+)对聚对苯二胺(PpPD)叶形颗粒的特异腐蚀作用。通过合成钴掺杂的Cu_(2-x)Se NPs并对其进行抗体修饰建立SERS免疫分析方法。由靶物引入的抗体修饰的钴掺杂的Cu_(2-x)Se NPs在Ag~+离子交换的条件下释放出Co~(2+),Co~(2+)特异性的腐蚀PpPD微米颗粒引起AgNPs增强下的对苯二胺拉曼信号的下降,以此实现对AFP的检测。与传统方法相较,灵敏度得到了进一步的提高,具有潜在的应用价值。5.甲胎蛋白(AFP)的光热免疫分析检测方法。近些年来,硒化铜纳米粒子(Cu_(2-x)Se NPs)由于其优良的光热转换性质在光热治疗方面被广泛研究。本研究基于Cu_(2-x)Se NPs的光热转换性质,建立了以温度为检测信号的光热免疫分析方法。由于不同浓度的靶物可引入不同浓度的抗体修饰的Cu_(2-x)Se NPs,不同浓度抗体修饰的Cu_(2-x)Se NPs引起的升温不一样,以此建立对AFP的光热免疫分析方法。由于本研究检测的是热信号所以样品的光学、电学特性对检测方法无影响,抗干扰能力强。并且该方法操作简单,不需要复杂的检测仪器检测成本低廉。该方法也可对癌症患者血液样品进行识别检测,具有一定的临床应用价值。总而言之,本论文利用贵金属纳米材料、氧化石墨烯银纳米复合材料以及铜硫属半导体纳米材料的优良性质建立了一系列癌症标志物检测的新方法。不仅实现了对癌症标志物的超灵敏检测,同时拓宽了免疫分析方法的类型,为癌症标志物的检测奠定了实验基础,在癌症的早期检测方面具有一定的临床应用价值。