《Talanta》：Sensitive fiber-optic localized surface plasmon resonance sensor for early pancreatic cancer detection via carbohydrate antigen 19-9 and supplementary biomarkers
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胰腺癌早期诊断中，光纤表面等离子共振（FO LSPR）传感器检测CA19-9的灵敏度显著高于传统ELISA，检测限低至6.89 mU/mL，并可通过联用IL-8和APOA1提升诊断特异性。
金亨民（Hyeong-Min Kim）|金民俊（Min-Jun Kim）|成元贞（Wonjung Sung）|尹允娜（Yuna Youn）|朴智勋（Jihoon Park）|黄镇赫（Jin-Hyeok Hwang）|李钟灿（Jong-chan Lee）|尹硕贤（Seokhyun Yoon）|朴在亨（Jae-Hyoung Park）|李承基（Seung-Ki Lee）
Nanophilia Inc., 韩国龟尾市，邮编13840
摘要
胰腺癌的早期检测仍然是一个主要的临床挑战，因为现有的生物标志物（如碳水化合物抗原19-9（CA19-9）的特异性有限。传统的检测方法（包括酶联免疫吸附测定法（ELISA）主要用于监测治疗反应和预测预后。本研究探讨了利用高灵敏度的光纤局域表面等离子体共振（FO LSPR）传感器作为胰腺癌早期诊断指标的潜力。FO LSPR技术在10分钟内即可检测到CA19-9，其检测限比ELISA低约1.6个数量级（6.89 mU/mL）。在对150个样本进行CA19-9定量分析时，使用ELISA得到的皮尔逊相关系数为0.937，而我们的传感器能更有效地区分早期患者和健康对照组。FO LSPR还能检测到ELISA无法识别的正常范围内的微弱右偏CA19-9梯度。与ELISA相比，该传感器的灵敏度超过99%，区分患者和健康个体的曲线下面积分别为0.692和0.936（ELISA分别为0.515和0.893）。这些结果表明，FO LSPR液体活检有助于揭示CA19-9在胰腺癌诊断中的新作用。此外，通过结合检测两种辅助标志物——载脂蛋白A1（apolipoprotein A1）和白细胞介素8（interleukin 8），诊断能力得到进一步提升，尤其是在早期胰腺导管腺癌的鉴别方面。总之，FO LSPR系统提供了一个简单、快速且可重复的分析平台，克服了传统免疫测定的关键局限性。
引言
胰腺癌是实体瘤中最致命的恶性肿瘤之一，其预后较差主要是由于三个因素：首先，早期检测难度大，大约50%的患者在确诊时已处于IV期；其次，胰腺癌具有高度侵袭性的生物学特性，容易发生早期微转移；第三，胰腺肿瘤的恶劣微环境会导致治疗抵抗[1]、[2]。因此，提高早期检测能力仍是改善胰腺癌患者生存率的最有效策略[3]。
尽管经过数十年的全球研究，碳水化合物抗原19-9（CA19-9）仍是唯一获得FDA批准的胰腺癌生物标志物。它是最具代表性的生物标志物，广泛用于监测治疗反应和预测预后[4]、[5]、[6]。然而，CA19-9存在一些问题，例如在非常早期的胰腺癌中不会升高，且在Lewis抗原阴性患者中也不会增加。其作为生物标志物的生物学相关性较低，限制了其在早期检测中的应用[7]。
传统的CA19-9检测方法包括酶联免疫吸附测定法（ELISA）、化学发光免疫测定法和放射免疫测定法，其正常范围通常为37 U/mL；但在早期胰腺癌中，CA19-9水平往往仍在这个范围内。这引发了疑问：早期胰腺癌中CA19-9不升高的原因，是CA19-9本身的生物学特性所致，还是当前检测技术的灵敏度不足？如果有一种更灵敏、可重复且成本效益更高的检测方法，CA19-9的临床应用价值将得到显著提升[8]。
基于光纤（FO）的局域表面等离子体共振（LSPR）技术已成为多种生物医学应用（包括早期癌症检测）的有希望的工具[9]、[10]、[11]。FO LSPR传感器利用纳米粒子（NPs）的独特光学特性（即LSPR效应）来高灵敏度地检测分子相互作用[12]。LSPR对局部折射率的变化非常敏感，尤其是当生物分子结合到金属纳米粒子表面时，因为电磁场得到强烈增强[13]。此外，光纤的材料成本相对较低，且可以大规模生产。基于FO LSPR的光学系统可以轻松集成到现有的FO网络中，从而减少了对专用设备的需求[14]。
在这项研究中，我们旨在通过测量CA19-9水平来评估使用FO LSPR传感器进行胰腺癌早期诊断的可行性。我们采用简单且可重复的工艺制备了FO LSPR传感器，以确保其稳定的光学性能[15]、[16]。通过使用对照目标和回收率分析验证了该传感系统的准确性。基于这些结果，我们在150个患者和健康对照组的血液样本中检测到了CA19-9，并通过不同的稀释比例来估计CA19-9水平以提高准确性。我们还研究了白细胞介素8（IL-8）和载脂蛋白A1（APOA1）的加入对CA19-9早期诊断能力的影响，这两种物质均参与多种癌症（包括胰腺癌）的早期发病过程[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。最后，通过统计分析比较了FO LSPR与ELISA在胰腺癌诊断能力上的差异。
材料与设备
去离子水（电阻率为18.2 MΩ·cm）由韩国Human Corporation的Arioso Power III提供。硅芯多模光纤（FG105LCA）购自美国Thorlabs公司。FO切割器（S326）购自美国OFS Fitel公司。白光光源（HL-2000-LL）和单色光源（iFLEX-iRIS? Laser Systems）分别来自美国Ocean Insight公司和英国Qioptiq公司。此外，还使用了相应的电荷耦合器件等检测设备。
FO LSPR传感器的制备与验证
通过将球形金纳米粒子（AuNPs）固定在光纤横截面上，制备了用于检测胰腺癌相关生物标志物的FO LSPR传感器[31]。具体步骤包括：首先用过氧化氢与硫酸混合的溶液处理硅酸盐玻璃表面，使其带有羟基；然后通过水解和缩合反应构建含有羟基头和氨基尾的SAM结构；最后覆盖柠檬酸层的纳米粒子。
讨论与结论
CA19-9是目前已知唯一的胰腺癌生物标志物，但其主要用于监测治疗反应和预测预后，而非早期诊断。本研究假设CA19-9的局限性可能源于检测方法而非其本身的生物学特性。我们将FO LSPR方法应用于可切除胰腺癌、晚期胰腺癌和健康对照组，发现该方法表现出优越的性能。
作者贡献声明
金亨民（Hyeong-Min Kim）：撰写初稿、数据可视化、实验设计、数据管理。李承基（Seung-Ki Lee）：撰写修订稿、数据可视化、监督工作、方法学设计、概念构思。成元贞（Wonjung Sung）：数据可视化、实验设计、数据管理。金民俊（Min-Jun Kim）：撰写初稿、数据可视化、实验设计。尹允娜（Yuna Youn）：数据可视化、实验设计。朴在亨（Jae-Hyoung Park）：数据可视化、方法学设计、概念构思。朴智勋（Jihoon Park）：数据管理、方法学设计、数据可视化。
数据获取
如需获取本研究的数据支持，请联系通讯作者。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号：NRF-2021M3C1C3097205和NRF-2021M3C1C3097207），该基金由韩国政府（科学技术信息通信部）提供。此外，本研究还得到了韩国产业技术规划与评估机构（KEIT）通过技术创新计划的支持（项目编号：RS-2024-00507794，由贸易、工业与能源部资助）。
