基于太赫兹超表面的胃癌外泌体精准检测新突破

研究人员为解决胃癌外泌体（Exos）异质性识别及超灵敏定量难题，构建太赫兹超表面平台，实现精准鉴别与定量，助力胃癌诊疗。

　　《基于太赫兹超表面的胃癌外泌体精准检测新突破》

在医学领域，胃癌（Gastric Cancer，GC）犹如一颗 “定时炸弹”，严重威胁着人类健康。2022 年，全球新增胃癌病例超 96.8 万，死亡人数达 66 万。而且，胃癌并非 “千篇一律”，它存在多种病理亚型，不同亚型的治疗方法和临床结局差异很大。因此，实现胃癌的精准诊断和个性化治疗迫在眉睫。

传统的病理检测方法，像组织活检和免疫组化，不仅操作复杂，需要专业人员参与，而且具有侵入性，难以对癌症亚型进行区分，也无法实时监测肿瘤状态。这时，外泌体（Exosomes，Exos）进入了研究人员的视野。Exos 是一种纳米级的膜泡，广泛存在于血液中，它携带了丰富的生物活性分子，在细胞间通讯中发挥着重要作用。不同病理亚型的 GC 会释放不同的 Exos，通过检测 Exos 来评估 GC 的分型和肿瘤负担，具有无创、便捷的优点，就像是为胃癌诊疗打开了一扇新的窗户。

然而，Exos 也有它的 “小脾气”—— 高度异质性。它的膜上含有多种关键膜蛋白，且表达水平各不相同。例如，分化簇 97（Cluster of Differentiation 97，CD97）和高迁移率族蛋白 B1（High Mobility Group Box 1，HMGB1），这两种蛋白与肿瘤细胞转移密切相关，和患者的临床分期、预后紧密相连。但正是因为膜蛋白的这种异质性，使得仅依靠单一膜蛋白很难准确区分 Exos。

为了攻克这些难题，研究人员踏上了探索之旅。他们构建了一个集成太赫兹超表面传感平台，相关研究成果发表在《Research》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在样本处理方面，从 MGC-803、SGC-7901（人胃癌细胞系）和 GES-1（人正常胃上皮细胞系）的细胞培养上清液中，通过连续差速离心法分离和纯化 Exos。对于检测技术，利用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）获取光谱数据，该系统置于密封的丙烯酸腔室中，并配备干燥单元以控制检测所需的湿度。同时，通过免疫功能化技术，将金纳米颗粒（AuNPs）与抗 CD9 结合，作为太赫兹信号放大器，增强检测的灵敏度。

下面来看看具体的研究结果：

• 双面传感生物传感器的工作机制：不同亚型 GC 来源的 Exos，其膜蛋白（CD97 和 HMGB1）丰度存在差异。研究人员制备了具有双面独立传感能力的超表面，并分别用抗 CD97 和抗 HMGB1 进行功能化修饰，以此特异性捕获具有膜蛋白异质性的 Exos。待检测的 Exos 与 AuNPs 结合，作为信号放大器。基于抗原 - 抗体特异性结合，Exos 被超表面捕获，导致太赫兹传输响应发生频移。双面生物传感器有两个独立的准连续束缚态（Quasi-Bound State in the Continuum，QBIC）共振峰，QBIC I 和 QBIC II 的频移分别对应 CD97 和 HMGB1 的表达水平。通过综合分析两个 QBIC 的频移，实现对 GC 亚型 Exos 的精准识别和超灵敏定量检测。
• 双面传感的原理和性能：为了验证双面传感的原理，研究人员对超表面两侧的电场强度进行了模拟。结果表明，超表面两侧的电场强度在空间上呈指数衰减，当空间范围超过 20μm 时，电场强度接近 0，且基底厚度为 100μm，保证了双面传感的独立性和非耦合性。当共振频率分别为 0.996THz 和 1.681THz 时，超表面的顶面和背面能分别被有效激发。计算得出 QBIC I 和 QBIC II 的灵敏度分别为 169GHz / 折射率单位（RIU）和 325GHz/RIU，该性能与之前的单面 QBIC 超传感器相当，展现出在生物检测领域广阔的应用前景。
• 不同 Exos 亚型膜蛋白的异质性：通过蛋白质免疫印迹（Western blot）检测和免疫细胞化学分析，研究发现不同 GC 细胞系释放的 Exos 膜蛋白存在显著异质性。CD97 在 MGC-803 来源的 Exos 中相对高表达，在 SGC-7901 和 GES-1 来源的 Exos 中几乎不表达；HMGB1 在 MGC-803 来源的 Exos 中高表达，在 SGC-7901 来源的 Exos 中中度表达，在 GES-1 来源的 Exos 中几乎不表达。这充分说明同时检测两种膜蛋白对于精确识别不同 Exos 亚型具有重要意义。
• 双面生物传感器的功能化及检测：双面生物传感器的两面分别用抗 CD97 和抗 HMGB1 进行功能化修饰。修饰过程包括在超表面上自组装 11 - 巯基十一烷酸（MUA），激活自组装单层，固定抗体，封闭自由活性位点等步骤。功能化修饰后，生物传感器的透射光谱响应发生轻微红移，其频移作为检测目标 Exos 的基线。该传感平台具有良好的成本效益优势，可重复使用。
• Exos 的纯化和表征：对提取的 Exos 进行表征，透射电子显微镜显示其具有典型的杯状结构，纳米颗粒跟踪分析确定其平均尺寸分布在 75nm 左右，蛋白质免疫印迹验证了 Exos 裂解物中存在特定的蛋白质标记，如钙连蛋白、热休克蛋白 70、肿瘤易感基因 101 蛋白和 CD9。
• 单传感检测的局限性：制造基于双面超表面参数的单面超表面，并分别用抗 CD97 和抗 HMGB1 进行免疫功能化修饰。实验发现，由于 Exos 的异质性，仅依靠单面传感检测单一膜蛋白，无法可靠地区分 Exos 亚型。例如，对于浓度未知的 Exos，单面生物传感器检测到的相同频移可能对应不同细胞系、不同浓度的 Exos。
• 双面生物传感器的优势：利用双面生物传感器检测不同细胞系来源的 Exos，结果显示，该传感器能有效区分 MGC-803、SGC-7901 来源的 Exos 和正常 GES-1 来源的 Exos。在定量检测方面，该传感器对 MGC-803 来源的 Exos 在 1×10? - 1×10?颗粒 /ml 的浓度范围内表现出良好的动态响应，检测限（Limit of Detection，LOD）为 1×10?颗粒 /ml。频率偏移变化与 Exos 浓度的对数呈线性关系，且对不同细胞系、不同浓度的 Exos 均有类似规律。此外，该平台在分析临床样本时也展现出初步潜力，与现有诊断方法相比，具有动态响应范围广、检测灵敏度高、检测特异性强、检测效率高、检测结果可相互验证等优点。

研究结论和讨论部分指出，利用液体活检技术检测 GC 细胞释放的异质性 Exos，为胃癌的精准诊断和个性化治疗提供了新途径。研究人员提出的基于双 QBIC 的双面传感策略，有效解决了 Exos 异质性带来的检测难题。通过同时检测两种关键膜蛋白，不仅实现了 GC 亚型 Exos 的区分，还能对其浓度进行定量分析。而且，该传感策略具有广泛的可扩展性，通过修改捕获抗体，有望用于其他肿瘤相关外泌体膜蛋白的检测，为包括乳腺癌、胰腺癌等肿瘤的诊断和个性化治疗提供有力支持。

这项研究成果为胃癌的诊疗带来了新的希望，为精准医学的发展注入了新的活力，有望推动胃癌诊疗技术迈向新的高度。