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用于检测肺癌生物标志物的电化学生物传感器

用于检测肺癌生物标志物的电化学生物传感器

  癌症是最广泛的挑战和重要疾病之一,其死亡率最高。肺癌是最常见的癌症类型,因此约25%的癌症死亡与肺癌有关。肺癌分为两种类型,具有不同的治疗方法:小细胞肺癌和非小细胞肺癌是肺癌的两类。由于肺癌通常在其早期处于潜伏期,因此,肺癌的早期诊断面临许多挑战。因此,需要用于临床前诊断肺癌的灵敏且可靠的工具。因此,许多检测方法已用于肺癌的早期检测。随着肺癌在体内的生长,癌细胞释放出大量的DNA,蛋白质,和代谢产物作为肺癌的特殊生物标志物。这些生物标志物的水平显示了肺癌的阶段。因此,生物标志物的检测可用于肺癌的筛查和临床诊断。肺癌有许多生物标志物,如EGFR,CEA,CYFRA 21-1,ENO1,NSE,CA 19-9,CA 125和VEGF。如今,电化学方法非常有吸引力,并且在肺癌检测中很有用。因此,在本文中,综述了电化学检测肺癌生物标志物的最新进展。
   如今,癌症已成为最广泛的疾病之一,有200多种不同类型,影响60多个人体器官。所有与癌症相关的死亡中超过90%的原因与原发性肿瘤的转移有关。在所有癌症中,肺癌对人类健康和生活质量有重大影响。全世界有176万人罹患肺癌,导致约25%的癌症死亡。与所有癌症一样,肺癌是由分子,遗传和表观遗传异常引起的。通常,人体中存在一种制衡机制,可控制细胞的生长并仅在需要时才分裂为生产新细胞。细胞的不受控制的分裂最终导致已知为肿瘤。肿瘤被分类为良性或恶性,同时,恶性肿瘤导致癌症。良性肿瘤通常通过手术治疗,以防止它们扩散到身体的其他部位。另一方面,恶性肿瘤的侵入性生长导致这些肿瘤通过血液或淋巴系统在体内扩散,这被称为肿瘤转移。肺癌自然倾向于在早期阶段扩散或转移,导致有害的疾病,这是危险的,无法轻易治疗。人体的任何器官,特别是肾上腺,肝,脑和骨骼,都可能受到肺癌肿瘤的攻击。然而,据揭示,90-95%的肺癌是由上皮细胞引起的,这些上皮细胞位于较大和较小的气道内。因此,肺癌有时被称为支气管癌或支气管癌。
   根据患者的整体健康状况,肺癌的类型和阶段以及患者的喜好来选择肺癌治疗计划。如果在早期发现肺癌,则手术可能是一种有效的治疗方法,因为在这种情况下,癌症仅限于肺部。在肺癌晚期,建议在手术前进行化学/放射治疗以缩小癌症。另外,为防止肺癌复发,建议在手术后进行化学/放射治疗。
   小细胞肺癌和非小细胞肺癌是肺癌的两个主要类别。大约80%的肺癌是NSCLC,其又分为四种亚型:鳞状细胞癌,腺癌,大细胞癌和混合癌。另外,约20%的肺癌是SCLC,倾向于迅速扩散。SCLC进一步分为三类:小细胞癌,混合型小细胞/大细胞癌和合并的小细胞癌。肺癌的两种主要类型,即NSCLC和SCLC,通常分别通过手术和化学/放射疗法进行治疗。根据体内癌症进展的严重程度,将NSCLC划分为I至IV阶段。在第一阶段,只有肺组织癌变。在接下来的两个阶段中,癌症进展,但仅限于胸部。在第四阶段,癌症已经从胸部扩散到身体的其他部位。
   有一些原因导致人体内肺癌。其中一些原因来自吸烟资源,例如吸烟和二手烟。此外,环境和化学污染物和工业物质,如石棉,氡,和砷是肺癌。此外,流行病学研究表明,遗传因素与肺癌患病风险之间存在明确的联系。肺癌的症状如呼吸急促,咳嗽和体重减轻通常是非特异性的。由于癌症通常在其早期处于潜伏期,因此,肺癌的早期诊断面临许多挑战。另一方面,在大多数情况下,晚期诊断为肺癌的治疗效率低下。肺癌的预后是指治愈或延长生命和改善生活质量的机会。此外,成功的预后与癌症的位置和大小,症状的存在,肺癌的类型以及患者的整体健康状况有关。在最近的几十年中,肺癌的诊断和治疗取得了许多进展。但是,肺癌的预后仍然非常困难。晚期诊断是改善肺癌预后的主要麻烦,从而降低了治疗的可能性。但是,在所有SCLC患者中,诊断后的五年早期生存率仅为5-10%。大多数幸存的患者在治疗前都有有限期的SCLC。在NSCLC中,诊断阶段的肿瘤阶段在癌症的预后中具有最重要的作用。例如,在I期肿瘤可以通过手术完全切除,五年生存率接近75%。因此,需要用于肺癌的临床前诊断的灵敏且可靠的工具。
   传统上,异常的胸部成像或上述非特异性症状可能是肺癌的可疑信号。有用于诊断肺癌的肿瘤,包括超声,磁共振成像,正电子发射断层摄影扫描,计算机断层扫描或计算机化轴向断层扫描,低剂量螺旋CT扫描,和骨扫描和活检。这些方法取决于肿瘤的表型特性,因此,它们对于癌症的早期检测是无效的。而且,这些方法不具有检测长出亚毫米大小的肿瘤的分辨能力,并且往往是不确定的。在另一方面,侵入性方法如痰细胞学,支气管镜检查和活检针具有在早期肿瘤诊断类似的挑战,因为这些方法已取样的复杂性和分辨率误差。
   有特定的分子,称为生物标志物,可以帮助出国看病服务机构区分正常和癌性疾病。使用某些被称为生物标志物的物质或过程来指示体内癌症的存在。在存在癌症的情况下,癌性肿瘤或身体分泌生物标志物分子作为特定标志。美国国家卫生研究院生物标志物定义工作组特别将生物标志物定义为“ 经过客观测量和评估的特征,作为正常生物学致病过程或对治疗干预的药理反应的指标 ” 。生物标志物可用于评估身体对疾病的特定治疗的反应。体液中的生物标记物为肺癌的筛查和诊断提供了方便,无创且便宜的方法。体液包括血清或血浆,尿液,唾液,痰,眼泪。基本上,肺癌的生物标记物分为两类:DNA基于基因的生物标志物和基于蛋白质的生物标记。
   在疾病的早期阶段,癌细胞中以及体液中仅存在痕量的生物标志物。因此,开发可靠和敏感的检测测试非常重要。通常,新的检测技术需要比当前的技术明显敏感,需要认真研究以采用这些技术。因此,基于生化,免疫学和分子生物学的各种方法和策略正在不断地得到验证,开发和利用,以提高体液和组织中生物标志物测定的敏感性。
   用于检测生物标志物的一般技术包括凝胶电泳,表面等离子体共振 ,表面增强拉曼光谱 ,比色测定,电化学分析,荧光法 ,无线电免疫测定法和酶联免疫吸附测定。在ELISA发展之前,使用放射免疫测定法进行生物标记物的免疫测定检测,使用放射性标记的抗原或抗体来检测生物标记物。在放射免疫测定中,使用放射性信号指示样品中特定抗原或抗体的存在。
   由于放射免疫分析对健康的潜在危害,因此开发了更安全的替代方法。因此,新方法必须使用非放射性信号。在比色法中,溶液颜色的变化可用作信号。酶和适当的底物之间的反应可能导致溶液颜色变化。但是,在这种情况下,酶必须与适当的抗体连接,因为信号应表明抗体或抗原的存在。为了轻松去除/清洗任何未结合的抗体或抗原,必须通过将抗体或抗原固定在容器表面来制备免疫吸附剂。
   最近,所有注意力都集中在检测不进行活检的肺癌的生物标志物上。因此,生物传感器是非常有吸引力且可应用的工具,用于为早期肺癌诊断提供快速,灵敏,特异,稳定,具有成本效益的非侵入性检测。根据IUPAC,化学传感器是“ 将化学信息从特定样品成分的浓度到总成分分析的范围转换为分析有用信号的设备” ,而生物传感器是“ 可识别系统利用生化机制” 。因此,由特定生物识别分子组成的癌症生物传感器。生物识别分子与生物标志物特异性相互作用,并且所产生的生物反应被换能器转换成可测量的分析信号。取决于生物反应的类型,在癌症生物传感器的制造中利用各种换能器,例如电化学,光学和基于质量的换能器。
   在电化学换能器中,通过生物识别分子与生物标记物的相互作用产生电化学信号。产生的电化学信号与分析物浓度成正比。因此,生物识别分子和生物标记之间的相互作用必须改变生物传感器表面的可检测电特性。这些电变化包括电子传输速率,表面电导率以及氧化还原反应的电势。在氧化还原反应完成时,电子传输速率的变化会影响产生的电流。另一方面,表面电导率的变化是由于表面阻抗或氧化还原电势的改变而引起的,这种改变的程度与分析物的浓度有关。
   在光学换能器中,利用光与目标分子之间的相互作用的某些特性和其他光学现象来检测目标。光学生物传感器提供了多重检测,因此它们是特别有吸引力的检测方法。在光学生物传感器中,光纤和波导装置可增强光与传感器表面之间的相互作用,从而提高检测灵敏度。
   另一方面,检测到基于质量的传感器的质量变化,这与生物识别分子和生物标志物之间的相互作用有关。这些换能器利用压电晶体,该压电晶体由于施加的电场而以特定的频率振荡。压电晶体的振荡频率受压电晶体表面的质量和所施加的电频率的变化影响。当固定的生物识别分子与目标生物标记物结合时,晶体的振荡频率由于质量的改变而改变。检测频率的这种变化以测量生物标志物浓度。由于它们的高灵敏度,通常将石英晶体用作压电晶体。
   放射免疫测定和ELISA具有一些缺点,例如复杂性,基于实验室的方法,反应缓慢以及需要经验丰富的操作员进行分析。此外,已经引入了光学免疫测定方法,其通常用于生物标志物的临床定量检测。尽管这些免疫测定法灵敏且具有选择性,但也是费时,昂贵,多步骤的,并且通常需要大型且昂贵的设备。另外,这些技术中的一些对于检测低浓度的生物标志物还不够灵敏,这种情况在癌症的早期阶段很重要。为了克服上述缺点并为在早期阶段检测生物标志物提供可能性,各个研究小组已经做出了巨大的努力,以开发出用于快速,准确和可靠地检测生物标志物的生物传感器。
   在这篇综述中,介绍了用于检测肺癌各种生物标记物的电化学生物传感器领域的最新进展。此外,本综述还涵盖了电化学生物传感器的基本原理和类型。此外,已将获得的回顾研究的统计优值数据进行了比较。
   这篇综述涵盖了自2010年至2018年的有关电化学生物传感器用于检测各种肺癌生物标记物的最新论文。这篇综述引用的论文表明,一些生物标志物,例如CEA,NSE,MUC1,CYFRA21-1,p53,EGFR,VEGF和AFP,在其他肺癌生物标志物之间得到了更多关注。此外,电化学生物传感器以高灵敏度,低成本和快速响应代表了用于检测癌症生物标志物的理想设备。尽管努力使用各种生物识别分子,但基于抗体作为生物识别元件的生物传感器比适体更受关注。然而,适体相对于抗体的优势是不可忽略的。此外,各种研究的结果表明,免疫测定的灵敏度要比适体传感器高,但是这两种方法都适用于目标确定。适体传感器相对于免疫测定法的其他优势是它们在确定各种靶标中的应用。

 
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