《International Journal of Molecular Sciences》：Nanostructured Tin- and Titanium-Based Chemoresistive Sensors for Detecting Volatile Fingerprints from Colorectal Cancer Biopsies and Cell Lines
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结直肠癌是一项全球性的健康负担，是全球第三大最常诊断的癌症，每年约新增190万病例，也是癌症相关死亡的第二大原因。这凸显了创新有效的癌症检测方法的需求，以改进当前的诊断途径。在这项可行性研究中，研究人员选用两种基于氧化锡-氧化钛复合材料的纳米结构化学电阻式气体
结直肠癌是一项全球性的健康负担，是全球第三大最常诊断的癌症，每年约新增190万病例，也是癌症相关死亡的第二大原因。这凸显了创新有效的癌症检测方法的需求，以改进当前的诊断途径。在这项可行性研究中，研究人员选用两种基于氧化锡-氧化钛复合材料的纳米结构化学电阻式气体传感器，来检测来自26名患者的人体健康与结直肠癌组织相关的代谢模式。为进一步验证源自活检的结果，这些传感器在两种结直肠癌衍生细胞系即Caco-2和RKO上进行了测试。通过比较平均传感器响应并使用配对t检验(p值=0.00018)，以及使用线性判别分析(LDA)实现交叉验证准确率为0.73，两种传感器均能够区分健康与肿瘤样本。此外，沿判别方向对数据进行的受试者工作特征(ROC)分析得出曲线下面积(AUC)为0.83。最后，正如基于其不同生物学特征所预期的那样，传感器对Caco-2和RKO呼出物表现出不同的响应谱。作为一项可行性概念验证研究，这些发现表明这些传感器能够捕获区分样本的特征性挥发性指纹，尽管它们无法识别特定的癌症代谢物。
研究背景方面，结直肠癌（CRC）是全球第三大常见癌症及第二大癌症相关死亡原因，现有临床筛查依赖粪便免疫化学试验（FIT）、结肠镜等手段，其中结肠镜作为金标准存在侵入性、准备繁琐及可能漏诊等局限。癌症细胞因代谢重编程、氧化应激等会产生特征性挥发性有机化合物（VOC），VOC传感作为非侵入性前沿筛查手段具有快速低成本潜力。意大利费拉拉大学“Laboratorio Sensori”团队基于此开发了基于纳米结构金属氧化物（MOX）的化学电阻式传感器，旨在从手术活检样本中直接检测肿瘤细胞排放的VOC以区分健康与癌组织，并选用Caco-2与RKO两种结直肠癌细胞系进一步验证，本研究为可行性探索，发表于《International Journal of Molecular Sciences》。
关键技术方法包括：制备基于氧化锡（SnO?）-氧化钛（TiO?）复合材料的两种纳米结构化学电阻式传感器ST25（含1%金纳米粉）与STN（含1%氧化铌Nb?O?），通过溶胶-凝胶法合成并丝网印刷于氧化铝基板集成至TO-39封装；构建便携式树莓派原型检测装置，含电子温控与气动过滤系统；样本来源于意大利费拉拉Sant’Anna医院26例CRC手术患者的配对健康黏膜与肿瘤组织活检（初始32例排除6例细菌污染），以及Caco-2与RKO细胞系；数据采集后以DMEM归一化响应，采用配对t检验、线性判别分析（LDA）、ROC曲线及层次聚类等统计方法分析。
研究结果部分，首先为2.1. Sensors’ Operating Temperature Selection（传感器工作温度选择），研究人员在300至600℃范围内以50℃增量评估，选定ST25为550℃、STN为450℃，该温度下对乙醇-水溶液响应最高且对DMEM响应最稳定，恢复时间短于低温组且基线波动小于600℃。
2.2. Biopsy Analysis（活检分析），对26对患者配对健康与肿瘤组织测量显示两传感器对肿瘤样本的平均响应显著高于健康样本；配对t检验对数转换后p=0.00018，Cohen’s d=1.22为大效应；相关性矩阵显示肿瘤样本响应与重量显著相关（ST25 r=0.41 p=0.036，STN r=0.47 p=0.016）而健康样本无显著相关；LDA以DMEM归一化响应及重量为输入，得到单一判别轴LD1，交叉验证准确率0.73，Wilks’ Lambda=0.76 p=0.0045显著，ROC分析AUC=0.83表明良好判别能力。
2.3. Immortalized Cell Culture Analysis（永生化细胞培养分析），Caco-2与RKO细胞系的DMEM归一化响应差异明显，RKO（高微卫星不稳定、B-Raf V600E突变、低分化侵袭性）响应随接种浓度与时间递增，Caco-2（自发分化肠上皮样、低级别）无此趋势；层次聚类以Ward linkage与欧氏距离切树高d=2.0得4簇，轮廓系数最高0.78，显示两细胞系挥发谱相似性与分组倾向但非确定生物学分类。
讨论部分总结，研究人员指出两传感器成功区分癌与健康组织源于癌细胞代谢改变产生的还原性VOC（如醛酮类）与n型MOX作用致电导增加，且两传感器响应不相关说明互补性；细胞系差异符合其生物学特性但缺乏正常结肠上皮细胞对照限制结论专属性；局限性包括活检重量小、癌与正常组织组学结构不同致细胞密度差异、肿瘤相关微生物群可能贡献VOC、环境波动虽以DMEM归一化减缓；未来需结合GC-MS等技术鉴定具体VOC，并在临床可及样本如呼气、粪便中验证。
结论部分翻译为：这项使用离体活检来源样本及细胞系模型（RKO与Caco-2）的可行性研究，旨在探究两种化学电阻式气体传感器ST25与STN区分CRC与健康细胞气味谱的能力。这两种基于纳米结构锡、钛及铌金属氧化物的传感器展现出区分健康与患病活检的良好能力：如使用配对t检验评估，CRC与健康样本的平均响应差异具统计学显著性（p=0.00018）。以Cohen’s d评估的效应量为1.22，表明为大效应。数据进一步通过LDA分析，获得良好样本分类，平均准确率0.73，沿LD1投影数据的ROC曲线分析得出AUC为0.83。这些传感器甚至更大程度区分了RKO细胞（侵袭性肿瘤细胞）与Caco-2细胞（低级别肿瘤细胞）的挥发排放，对RKO排放的响应显著高于Caco-2，并呈现清晰的浓度依赖性趋势。尽管这是一项可行性研究，基于这些传感技术的创新方法未来若能转化至非侵入性临床筛查并在临床可及样本（如呼气、粪便、尿液、血液等）中得到验证及独立患者队列前瞻性验证，将成为推进和改进癌症检测的极佳候选方案。
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