Ru-光催化的时空RAFT扩增技术能够实现食管癌RNA的超灵敏检测

《Microchemical Journal》：Ru-photocatalyzed spatiotemporal RAFT amplification enables ultrasensitive detection of esophageal cancer RNA

食管癌早期检测的光电化学纳米传感器研究。采用Ru(bpy)?Cl?催化体系实现光驱动可控自由基聚合，通过分子自组装构建特异性捕获探针，结合电化学信号放大技术，检测限达7.4 aM，临床血清验证回收率92-97.3%，灵敏度较传统方法提升10-1000倍。

　　近年来，食管癌作为全球癌症死亡率最高的疾病之一，其早期检测技术的创新显得尤为迫切。当前，尽管内镜活检在诊断食管癌方面具有较高的准确性，但其侵入性较强，难以广泛应用于常规筛查。为此，研究者们致力于开发更加灵敏、非侵入的检测方法，以提高早期诊断的成功率并减少患者的痛苦。本文提出了一种基于光还原反应的电化学生物传感器，利用Ru(bpy)?Cl?催化的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合反应，实现了对食管癌特异性RNA的超灵敏检测。该系统通过空间限制和催化放大机制，结合一种自含的N-Succinimidyl 4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoate（NS-CPAD），消除了对外源性引发剂的依赖。目标RNA与探针结合后，会引发局部红ox活性聚(ferrocenylmethyl methacrylate)（FMMA）刷的生长，将分子识别转化为可测量的电流信号。系统性优化结果显示，10 μM的Ru催化剂和3小时的光照时间能够实现聚合效率与特异性之间的最佳平衡。该传感器达到了前所未有的低检测限，为7.4 aM，并且对单核苷酸多态性和非目标miRNA的特异性超过95%。临床有效性通过10%人血清中的92.0–97.3%回收率以及长期稳定性得到验证。与CRISPR-SERS、光电化学和酶基平台相比，该方法的灵敏度提高了10到1000倍。通过整合催化精度、血清兼容性和可扩展的制造工艺，这项技术为液体活检应用建立了新的范式，满足了大规模食管癌筛查的关键需求。

食管癌是一种起源于食管黏膜上皮或腺体的恶性肿瘤，主要类型包括鳞状细胞癌和腺癌，还有一些较为罕见的类型。其常见症状包括吞咽困难和体重减轻，此外还有逐渐加重的吞咽困难、声音嘶哑、锁骨周围淋巴结肿大、干咳以及咳血或呕吐物带血等表现，这些症状对人类健康和生命构成了严重威胁。在全球范围内，食管癌的发病率和死亡率不容忽视，且在某些特定地区更为普遍。从病因学角度来看，食管癌的致病因素较为复杂，其中鳞状细胞癌主要与不良饮食习惯有关，长期摄入过热、过硬或过于粗糙的食物会反复损伤食管黏膜。在漫长的自我修复过程中，食管细胞容易发生突变，从而增加患癌风险。而腺癌则主要由长期大量吸烟和过量饮酒引起，烟草和酒精中的尼古丁、焦油等有害物质会持续刺激食管，破坏其正常的组织环境。此外，一些慢性食管疾病，如胃食管反流病，也会使食管长期处于酸性环境中。如果癌前病变如巴雷特食管未能及时有效地管理，极易发展为食管癌。

在食管癌的早期阶段，症状通常不明显或仅表现为一些轻微的表现，容易被忽视。例如，吞咽时可能会有短暂的异物感。在进食固体食物时，食物可能会在食管的某一区域短暂停滞，但不会影响正常的进食过程，且症状往往自行缓解。因此，这种情况常被误认为是进食过快或食物质量问题。随着疾病的发展，吞咽困难会逐渐加重。起初，患者可能还能轻松吞咽干米饭，但随着时间推移，只能吞咽半流质食物，如粥和面条。最终，甚至连吞咽水和唾液都变得困难。此外，患者常伴有其他症状，包括胸骨后疼痛、显著体重减轻、呕血以及黑便等。

为了实现食管癌的早期检测，开发一套有效的诊断方法至关重要。目前，内镜活检仍然是诊断食管癌的关键手段。传统的白光内镜能够直接观察食管黏膜形态和颜色的变化，从而识别出异常特征，如粗糙黏膜、突起、溃疡和肿块。一旦发现可疑病变，医生可以在内镜引导下获取组织样本进行病理活检，这被视为确诊食管癌的“金标准”。通过对活检组织进行细胞学分析，可以确定肿瘤的特征和分类。然而，这种侵入性检测方法会给患者带来较大的不适和痛苦。因此，迫切需要探索更加微创的检测技术，这些技术不仅要减轻患者的痛苦，还要提高检测的灵敏度。

近年来，一些基于可控自由基聚合的方法被广泛研究并应用于生物传感领域。例如，Zhang等人设计了一种基于原子转移自由基聚合（ATRP）的电化学生物传感器，用于检测马赛克病毒RNA，该传感器具有双链特异性核酸酶辅助的目标循环，并实现了2.9 fM的检测限。本文在这些方法的基础上，进一步实现了对食管癌生物标志物的超灵敏检测。由于食管癌相关生物标志物在人体内的浓度极低，因此为了实现高效且准确的检测，需要一种适当的放大技术。可控自由基聚合被认为是具有前景的信号放大技术。在本研究中，采用了一种光驱动的RAFT聚合策略，用于信号放大。该方法将生物信号转化为可测量的电信号，从而实现对食管癌生物标志物的检测。

实验结果表明，基于钌的光还原催化剂（Ru(bpy)?Cl?，Ru(II)）能够在可见光照射下生成激发态（Ru(II)*）。随后，这些激发态通过光诱导电子转移（PET）过程减少硫代羰基硫化合物。在PET条件下，氧化猝灭机制会导致自由基Pn•和Ru(III)物种的生成。这些生成的自由基可以引发单体的聚合，并参与RAFT过程。同时，这些自由基也可以被Ru(III)失活，从而再生Ru(II)并完成一个循环反应路径。与传统的RAFT聚合相比，本实验中的硫代羰基硫化合物在本协议中既可以作为引发剂，也可以作为链转移剂（CTA）。这种独特的性质消除了对外源性引发剂的依赖，为实验室研究和工业生产提供了显著的优势。

在本研究中，所开发的电化学生物传感器通过严格限制聚合反应在RNA结合位点进行，从而最大限度地减少非特异性放大。电极上直接产生可测量的电流信号，可以通过时间控制进行定量检测。此外，该传感器不仅表现出7.4 aM的优异检测限，还具有低成本、高稳定性和良好的临床适用性。通过结合催化放大机制、空间限制和自含的NS-CPAD，该系统实现了对目标RNA的高效检测。同时，该技术在人血清中的回收率达到了92.0–97.3%，证明了其在实际应用中的可行性。实验结果还表明，该方法在检测限和特异性方面显著优于现有的CRISPR-SERS、光电化学和酶基平台，具有10到1000倍的灵敏度提升。通过整合催化精度、血清兼容性和可扩展的制造工艺，这项技术为液体活检应用建立了一个新的范式，满足了大规模食管癌筛查的关键需求。