电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的应用.pdf

现代科学仪器 Modern Scientific Instruments 48 第5期2011年10月 No 5 Oct 2011 收稿日期 2011 09 15 作者简介 朱祯敏 1983 男 硕士 助教 研究方向 生物医学传感器 电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的应用 朱祯敏 上海医疗器械高等专科学校医用电子信息系 上海 200093 摘 要 电化学免疫传感器在床边诊断中扮演很重要的角色 现代电化学免疫传感器有很高的灵敏度 可以用于肿瘤的 早期诊断 电化学仪器与纳米材料的结合可以同时检测多个肿瘤标志物 电化学免疫传感器给提高癌症诊断和治疗检测的水 平带来了希望 本文综述了电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的研究现状 对于最新进展 所遇到的挑战以及今后的发 展趋势也给予了关注 关键词 电化学免疫传感器 肿瘤标志物 检测 中图分类号 R73 TP212 3 Application of Electrochemical Immunosensors in Detection of Tumor Markers Zhu Zhenmin Department of Medical Electronics and Informatics Shanghai Medical Instrumentation College Shanghai 200093 China Abstract Electrochemical immunosensors have played a significant role in the transition towards point of care diagnostic devices Modern electrochemical immunosensors offer remarkable sensitivity essential for early cancer detection The coupling of electrochemical devices with nanoscale materials offers a unique multiplexing capability for simultaneous measurements of multiple tumor markers The attractive properties of electrochemical immunosensors are extremely promising for improving the effi ciency of cancer diagnostics and therapy monitoring This brief review focuses on the current research of immunosensors for tumor markers based on the electrochemical detection with emphasis on recent advances challenges and trends Key words Electrochemical immunosensor Tumor maker Detection 在肿瘤的发生发展过程中 往往伴随着血液中 肿瘤标志物含量的升高 所以 确定肿瘤标志物的 含量 在肿瘤的诊断 预后判断 药物作用监测中有 很大作用 1 定量检测肿瘤标志物的方法通常是免 疫测定 2 然而传统的免疫测定技术有耗费时间 准 确度不高 难以实现自动化等缺点 而免疫传感器 能够克服这些缺点 具有小型化 半自动 便携式等 特点 免疫传感器可以检测抗原与抗体的结合 而且 不需要分离和洗涤步骤 免疫传感器将免疫反应的 特异性和物理换能器的灵敏性与便捷性结合在一 起 免疫传感器可以分为四类 电化学免疫传感器 光学免疫传感器 质量免疫传感器和热量免疫传感 器 3 免疫传感器的进展和应用已有多篇综述 4 9 由于电化学生物传感器具有便携 简单 使用方 便 价格合适 一次性使用等特点 因 此它们可以 用在即时检测仪器中 和传感器一起使用的电化学 仪器已经小型化到可以放入口袋中 这样可以使它 们居家使用或是在手术中使用 葡萄糖生物传感器 是使用最为广泛的电化学生物传感器的例子 另一 个例子是 i STAT 它将几个电化学生物传感器结 合在单张芯片上 可以对临床样品的多个电解质和 代谢物质进行检测 基于抗原抗体反应的电化学免 疫传感器对早期癌症诊断 提供了很好的选择性和 灵敏度 一系列的电化学免疫传感器已投入使用 这包括电位型 电流 安培 型 电容型 阻抗型 本 文将综述电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的 应用 1 电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的 应用 1 1 电位型免疫传感器 电位型免疫传感器是基于测量抗体 抗原免疫 反应后指示剂与参比电极之间的电位变化来进行免 疫分析的 10 Purvis 等报道了一种电位型免疫传感 器 在聚吡咯修饰的丝网印刷电极表面检测酶标免 疫复合物 11 梁茹萍等 12 利用戊二醛交联 CA15 3 49 第5期2011年10月 抗体的电位型免疫传感器用于乳腺癌 CA15 3 的检 测 获得了良好的检出限 5 U mL 和稳定性 30 d Fu 等 13 制备了 40 nm 的氧化铁纳米柱修饰碳 糊电极 用于固定 CEA 建立了测定 CEA 的电位型 免疫传感器 其线性范围为 1 5 80 g L 检出 限为 0 9 g L 对临床血液样本的检测结果与酶 联免疫法相符合 Zhou 等 14 将纳米金吸附在溶于 PVC 的邻苯二胺的氨基上 制备了一种增塑的 PVC 膜的电位传感器用于 AFP 的检测 该传感器的 响应时间短 4 min 检出限低 1 6 g L 1 2 电流型免疫传感器 自 1979 年 Aizawa 等 15 第一次报道用于检测 人绒毛膜促性腺激素 hCG 的电流型免疫传感器以 来 电流型免疫传感器获得了很大的发展 这一方法 具有高敏感性 在恒电位条件下测量通过电化学池 的电流 待测物通过氧化还原反应在传感电极上产 生的电流与电极表面的待测物浓度成正比 比电位 测量式系统中的对数相关性更易换算 结合酶的催 化作用 可具有更高的灵敏度 是免疫传感分析中发 展最快的领域 电流型免疫传感器测量一般包括两 个步骤 首先通过一个竞争或夹心式的免疫反应将 酶标记物结合在传感器表面 用一步或多步清洗步 骤洗去传感器表面上没有特异性结合的物质 以消 除非特异性吸附的影响 然后通过一个酶催化反应 检测免疫反应所引起的电流变化进行测定 Wilson 等 16 采用双电极的免疫传感器同时采用安培法测定 了 CEA 和 AFP 获得了 1 g L 的低检出限 并有 效抑制了交叉干扰 1 3 电容型免疫传感器 电容型免疫传感器是建立于免疫反应所产生 或者消耗离子引起的溶液导电性的变化 是一种高 灵敏免标记型免疫传感技术 电容型免疫传感器同 其他生物传感器一样 敏感膜的制备技术尤为重要 首先要求在金属电极或者半导体表面形成一层电绝 缘层 电容型免疫传感器的成功与否在很大程度上 取决于这一电绝缘层 Fernandez Sanchez 等 17 研制了可以用于检测 PSA 的免疫传感器 他们将对 pH 敏感的聚合物附着在电化学传感器的表面 用于 快速而灵敏地检测免疫反应过程中的电容及阻抗变 化 实现了对 PSA 的灵敏检测 Quershi 等 18 在纳 米晶钻 NCD interdigitated gold GID 电极 表面固载抗体 进而通过电容法测定心血管标记物 CRP 结果表明 电容器的灵敏度表现在两个方面 一是当抗体与抗原结合后 极化常数和弛豫时间常 数明显增大 二是传感器的灵敏度与抗体浓度及施 加频率紧密相关 1 4 阻抗型免疫传感器 近年来阻抗型传感器获得了很多关注 原因是 它们被归类为免标记的传感器 阻抗型免疫传感器 以小振幅的交流信号为扰动信号 通过检测修饰电 极的界面特性来检测样品中抗体 抗原 目标物 这 种传感器不仅具有进行高精度测量的实验能力 使 得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系 同时也 可以通过在很宽的频率范围内测量阻抗来研究电极 系统 这种接近平衡态的测量技术大大简化了动力 学和扩散过程的数据处理 近年来 一些研究组致 力于电化学阻抗谱在电化学免疫传感器中抗体 抗 原相互作用的应用研究 19 20 Lasseter 等 19 利用 电化学阻抗谱研究结合在工作电极上的蛋白质自身 的电化学响应 利用金 硅 玻碳电极上的生物素单 层膜来结合亲和素 无需辅助的氧化还原物质 用电 化学阻抗谱可以检测纳摩尔的亲和素 促进了无标 记电化学免疫传感器的发展 Zhu 等 21 报道了一种 在玻碳电极表面修饰金纳米粒子 进而吸附 CEA 抗 体 用铁探针离子的阻抗特性来检测 CEA 获得了良 好的检出限和灵敏度 Rajesh 等 22 在 ITO 修饰电 极上利用自组装膜固定 CRP 利用电化学阻抗 法检测 CRP 抗体与抗原的亲和作用 其检出限 达到 3 5 g L 1 5 与纳米技术联用 纳米技术的飞速发展为纳米材料在化学与生 物传感器中的应用开辟了新的方向 由于纳米材料 独特的物理 化学性质 使其在化学与生物传感方面 具有广阔的应用前景 纳米材料在电化学免疫传感 器中的应用包括纳米粒子 纳米线 碳纳米管等 7 Tang 等 23 用磁性纳米粒子对分析质进行分离和预 富集 可以放大检测信号 这个免疫传感器可以同 时检测 AFP CEA CA 125 and CA 15 3 四 个肿瘤标志物 检测限低于 0 5 g L Ramgir 等 24 报道了用硅纳米线作为模板对肺癌标志物白细胞介 素 10 和骨桥蛋白进行实时伏安检测 Okuno 等 25 用 SWNT Single walled carbon nanotube 修 饰的微电极阵列制作了免标记的电化学免疫传感 器 对 tPSA 进行检测 朱祯敏 电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的应用 Modern Scientific Instruments50 No 5 Oct 2011 2 结论与展望 目前用于临床肿瘤诊断的标志物较多 但往往 因为敏感性 特异性不够理想 在肿瘤的筛查 辅助 诊断中存在一些局限性 电化学免疫传感器是集生 物学 物理学 化学及医学为一体的一种新型传感技 术 在生物医学研究和临床应用上具有很大的应用 前景 虽然现在电化学免疫传感器在实际临床诊断 方面还存在抗干扰能力弱 多目标检测物同时检测 能力差等缺点 但近年来电化学 分子生物学 材料 科学及电子学等多学科的融合与交叉 为电化学免 疫传感器在生物医学上的研究与应用提供了很大的 发展空间 电化学免疫传感器正向高通量 微型化 商业化 现场检测等方向发展 随着技术的发展 相 信能像在糖尿病检测领域里占有重要地位一样 电 化学免疫传感器会在临床肿瘤诊断与监测领域里发 挥重要作用 参考文献 1 HAYES D F BAST R C DESCH C E et al Tumor marker utility grading system a framework to evaluate clinical utility of tumor markers J J Natl Cancer Inst 1996 88 20 1456 66 2 LOWE C R Analytical biotechnology J Curr Opin Biotechnol 1996 7 1 1 3 3 LUPPA P B SOKOLL L J CHAN D W Immunosensors principles and applications to clinical chemistry J Clin Chim Acta 2001 314 1 2 1 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