《Biosensors and Bioelectronics》：Electrochemically activated DNA circuit for the amplified and accurate biosensing of cancer cells
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作者：曹雅 | 潘毅 | 黄志辰 | 叶子 | 王楠 | 张凯 | 李根喜 | 赵静
单位：上海大学生命科学学院，器官修复工程研究中心分子识别与生物传感中心，教育部生物材料与生物技术在器官修复领域的国际联合研究实验室，中国上海 200444
摘要
检测癌细胞不仅有助于癌症的早
作者：曹雅 | 潘毅 | 黄志辰 | 叶子 | 王楠 | 张凯 | 李根喜 | 赵静
单位：上海大学生命科学学院，器官修复工程研究中心分子识别与生物传感中心，教育部生物材料与生物技术在器官修复领域的国际联合研究实验室，中国上海 200444
摘要
检测癌细胞不仅有助于癌症的早期诊断，还为制定个性化治疗方案提供了重要支持。在这项研究中，我们开发了一种基于适配体的电化学生物传感方法来检测癌细胞，该方法使用电化学激活的DNA电路作为信号生成模块。具体而言，通过适配体介导的表面蛋白识别，目标细胞被捕获到氧化铟锡电极上。随后，DNA电路开始对细胞表面固有的酪氨酸残基进行电位驱动的选择性生物共轭。接着通过点击化学反应和多条发夹探针的网状级联组装，大量电活性甲基蓝分子被招募到细胞表面，从而实现高效的电化学信号生成。以乳腺癌细胞MDA-MB-231为模型，该方法能够在5到1×10^4个细胞的线性范围内检测到目标细胞，检测限低至4.2个细胞，并且表现出高特异性和适用性，从95.0%到106.2%的回收率。此外，基于DNA电路的信号生成模块具有出色的通用性和信号稳定性，通过简单的适配体替换，该方法也可以用于检测其他类型的癌细胞，如HER-2阳性的BT-474和MDA-MB-453细胞。因此，这项工作提供了一种可靠的新型癌细胞检测工具，对未来的癌症诊断实践具有重大意义。
引言
癌症已成为全球主要的公共卫生问题，其病理特征的复杂性要求诊断和治疗策略不断进步（Bray等人，2024年）。作为恶性肿瘤的核心组成部分，癌细胞在肿瘤的起始、进展和转移中起着关键作用，通常具有增强的增殖和侵袭能力，并对传统治疗方法表现出一定的抗性（Boire等人，2024年）。同时，从肿瘤组织中脱离的癌细胞（称为循环肿瘤细胞CTC）可以进入血液，成为肿瘤进展和转移的种子（Lawrence等人，2023年；Lin等人，2021年）。目前，通常使用流式细胞术、免疫荧光成像、酶联免疫吸附测定和免疫组化等技术，通过分析蛋白质、核酸和代谢物水平的异常特征来检测癌细胞，这些技术为癌症患者的精准诊断和个性化治疗提供了宝贵证据（Lopresti等人，2019年；Ring等人，2023年；Sobhanan等人，2022年）。尽管这些技术很有用，但它们仍然面临程序复杂、设备成本高和实际灵敏度不足等挑战。因此，开发灵敏且方便的新方法来检测癌细胞对于推进基础研究和临床诊断应用具有重要意义。
随着分子识别和信号标记策略的改进，生物传感器在癌症生物标志物检测领域越来越受到关注（Flynn等人，2023年；Sarkar等人，2024年；Wu等人，2021年）。电化学技术因其多种优点（包括低成本、高可用性以及易于微型化和集成）而受到广泛关注（Cao等人，2024年；Chu等人，2024年；Li等人，2023年）。近年来，利用多种电化学生物传感设计，开发出多种电化学生物传感方法，在检测癌细胞方面表现出令人满意的灵敏度和特异性（Han等人，2021年；Lu等人，2022年；Wu等人，2025a，Wu等人，2025b；Xu等人，2024年）。值得注意的是，这些方法主要依赖于细胞表面特定蛋白质的表达来进行目标识别和信号生成。然而，鉴于癌症的深刻异质性（Dagogo-Jack和Shaw，2018年；Hausser和Alon，2020年），癌细胞内单一表面蛋白质的表达存在显著变异性。因此，在实际应用中，这些方法可能会遇到信号稳定性和准确性不足的问题，难以完全满足精准癌症诊断的需求。
除了分析策略的发展外，电化学技术的最新进展还实现了通过选择性生物共轭在特定氨基酸残基（如酪氨酸、色氨酸、赖氨酸）上对蛋白质进行翻译后修饰，为蛋白质组学映射、细胞成像、抗体-药物偶联物设计和治疗靶点识别提供了强大的工具（Chauhan等人，2024年；Depienne等人，2023年；Kawamata等人，2023年；Loynd等人，2024年；Mackay等人，2022年）。许多研究表明，这种电化学生物共轭策略在适当的电位作用下，能够以通用方式实现蛋白质修饰，同时保持蛋白质的结构完整性和功能活性。受此启发，我们设计了一种电化学激活的DNA电路。具体来说，当适配体介导的目标细胞被捕获到氧化铟锡（ITO）电极上后，电路通过电位驱动的细胞表面酪氨酸残基选择性生物共轭启动。随后，该电路通过点击化学促进的多条发夹探针的网状级联组装，使电活性分子（如甲基蓝MB）富集在细胞表面。将其纳入新的癌细胞检测生物传感方法后，该电路利用细胞表面蛋白质中普遍存在的酪氨酸残基有效放大信号，同时克服了由于单个蛋白质表达变化引起的信号不稳定性问题。为了验证原理，我们使用与癌症进展和不良预后密切相关的表皮生长因子受体（EGFR）特异性适配体作为模型目标，检测乳腺癌细胞MDA-MB-231。实验结果表明，该生物传感方法能够在5到1×10^4个细胞的线性范围内实现检测，检测限为4.2个细胞，并且在复杂环境中具有良好的适用性，为精准癌细胞检测及CTC靶向液体活检提供了新的见解。
章节片段
材料与化学品
MDA-MB-231、BT-474、MDA-MB-453和MCF-10A细胞购自中国科学院细胞库。胎牛血清（FBS）、青霉素-链霉素-新霉素抗生素混合物、Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）、L-15培养基和4′,6-二氨基-2-苯基吲哚（DAPI）购自Thermo Fisher Scientific有限公司。MEpiCM完整培养基购自ScienCell Research Laboratories。PE标记的EGFR抗体（PE/anti-EGFR，ab208753）和PE标记的人表皮...
电化学激活DNA电路用于癌细胞检测的原理
图1展示了用于癌细胞电化学检测的电化学激活DNA电路的原理。首先，使用环氧硅烷偶联剂将针对特定细胞表面蛋白（如EGFR）的适配体固定在ITO电极上（Aoni等人，2022年；Song等人，2013年）。这使得能够选择性地捕获目标癌细胞——特别是表达EGFR的MDA-MB-231细胞。之后，电化学激活的DNA电路被触发...
结论
总之，我们开发了一种新的电化学生物传感方法用于检测癌细胞。该方法利用针对特定表面蛋白的适配体准确识别和捕获目标癌细胞，并通过电化学激活的DNA电路实现检测。该方法中的信号生成模块利用了细胞表面蛋白质中固有的酪氨酸残基，输出稳定且放大的信号...
CRediT作者贡献声明
曹雅：研究、方法学、撰写——初稿。潘毅：研究、方法学。黄志辰：研究、方法学。叶子：研究。王楠：研究。张凯：方法学、撰写——审阅与编辑。李根喜：概念构思、撰写——审阅与编辑。赵静：方法学、监督、撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了上海市自然科学基金（23ZR1421400）、东营市高质量医疗发展自然科学基金联合项目（编号2024ZRWS019）、山东省医疗卫生科技项目（编号202403031150）以及山东第一医科大学青年科学基金培养与支持计划（山东省医学科学院）（编号202201-070）的支持。
