面向低资源环境尿检结直肠癌生物标志物的便携式比色生物传感器平台

《Biosensors》：A Portable Colorimetric Biosensor Platform for Urinary Colorectal Cancer Biomarker Testing in Low-Resource Settings

　　

在低资源环境下，结直肠癌（CRC）早期检测面临挑战，原因在于结肠镜与集中化实验室检测可及性有限。基于尿液的代谢物生物标志物为非侵入性CRC分诊提供替代方案，但将实验室 assay 转化为即时检测（PoC）系统需标准化流体处理、不依赖操作者的计时、现场兼容试剂及定量校准。研究人员提出一种低成本、半自动化PoC平台，将经验证的序贯三代谢物CRC生物标志物 assay 与机器人流体处理、电动色谱模块、光学读取器、蓝牙电子件及平板引导控制集成。该平台测定尿二乙酰精胺（diacetylspermine）与马尿酸（hippuric acid），以肌酐（creatinine）为归一化参照，报告绝对定量浓度。自动稀释、试管定位、定时孵育、控柱洗脱及软件引导转移降低操作者相关变异。使用加标至临床相关浓度的混合尿样，肌酐 assay 呈强二次响应（0–50 mM，R2=0.998），二乙酰精胺 assay 亦然（0–4 μM，R2=0.979），马尿酸 assay 呈线性响应（R2=0.989）。RGB传感器追踪到与实验室微孔板读数仪一致的浓度依赖趋势（R2=0.968–0.999）。重配为冻干或预称真空密封试剂盒的试剂耐受加速热湿（45 °C/70% RH）测试及至试点现场的国际运输。整机（含平板）约490美元，单次筛查耗材约7.65美元，该平台为去中心化CRC筛查提供实用、定量、便携路径。

研究背景方面，结直肠癌（CRC）全球高发且致死率高，早期检出可显著提升生存率，但低与中低收入国家（LMICs）缺乏结肠镜与集中检验能力，粪便基分子检测又受样本处理与设备限制难以推广；尿液非侵入且易获，研究人员前期已验证尿二乙酰精胺（diacetylspermine）与马尿酸（hippuric acid）联合肌酐（creatinine）归一化的诊断价值，但实验室比色流程依赖熟练操作，无法现场定量。为此，研究人员构建半自动化即时检测（PoC）平台，将 assay 化学、机器人流体处理、电动色谱洗脱、RGB光学读取、蓝牙平板控制与浓度校准融合，实现多代谢物绝对定量与现场部署。论文发表于《Biosensors》。关键技术方法上，平台由四模块组成：便携式RGB光学传感单元（密闭避光、板载白光LED）、含蠕动泵与电机转盘的自动流体站、控制双树脂柱洗脱的电动色谱塔、运行Android控制软件的蓝牙平板；三 assay 分别采用DNBA碱法测肌酐、双阴离子/阳离子交换树脂富集耦合重组二乙酰精胺氧化酶（rDAS Ox）与辣根过氧化物酶（HRP）催化Amplex Red（OxiRed）产红色试卤灵（resorufin）测二乙酰精胺、吡啶/p-TsCl磺酰化显色测马尿酸；试剂改为冻干或预称真空铝箔封装以耐45 °C/70% RH；以商业混合人尿加标制作校准曲线，并行用BioTek微孔板读数仪比对，现场试点样本来自尼日利亚队列。研究结果部分，2.1节概述PoC工作流，明确三分析物与四硬件模块分工；2.2节肌酐 assay 经20倍自动稀释与DNBA/LiOH冻干试剂得紫色复合物，0–50 mM呈二次校准（R²=0.998）；2.3节二乙酰精胺 assay 经7 mL尿上柱、水洗、KCl洗脱、0.45 μm过滤、酶粉复溶与15 min显色，0–4 μM二次拟合（R²=0.979）；2.4节马尿酸 assay 以100倍稀释、吡啶与现配p-TsCl/乙醇反应8 min显棕褐色，呈线性（R²=0.989）；2.5与2.6节详述3D打印PLA结构、步进电机、霍尔定位、螺杆驱动洗脱塔及Android软件强制时序与校准反算浓度；2.7与2.8节定义颜色数（color number）复合公式与批次校准嵌入；2.9节以混合尿加标做技术重复，LOD分别为肌酐3.26 mM、二乙酰精胺0.08 μM、马尿酸75 μM。3.1至3.3节分别给出三 assay 在现场RGB传感器下的校准性能，与微孔板趋势一致；3.4节跨平台比对得R²肌酐0.975、二乙酰精胺0.968、马尿酸0.999，证明RGB读数与吸光度等价追踪；3.5节加速老化与往返尼日利亚航运显示冻干肌酐稳定≥10天、二乙酰精胺酶试剂室温/冷藏/冷冻2–3月活性保留但极端16天湿热降级、马尿酸p-TsCl有轻微色偏需本地校准，尼日利亚20例临床尿样测得各分析物均在预期区间且高于LOQ；3.6节对比FIT与纸基/电化学PoC，指出本平台优势在三点：三分析物顺序定量、避光RGB替代手机相机、整机约490美元与单次7.65美元耗材使67次后单检成本低于15美元目标。讨论部分总结，平台核心价值不在单一RGB传感器灵敏度，而在把易变手动步骤（体积稀释、柱洗脱、计时、转移）由机电与软件锁定，并以浓度单位而非色卡判读供CRC分类算法使用；局限包括二乙酰精胺低端灵敏受限于酶与树脂富集而非光学、尚未全自动化、未与LC-MS/MS同批标本正交比对、原型机未计注塑与认证成本。结论部分翻译：研究人员开发并分析验证了一种低成本半自动化CRC筛查平台，用于对尿生物标志物绝对定量；首要进展不仅是低成本高灵敏RGB传感器，而是将 assay 化学与自动稀释、电动试管定位、受控色谱处理、双源供电、软件强制计时、浓度校准及数字报告相集成，使原本依赖技能的实验室流程转为引导式现场流程。系统对三分析物产生可复现的浓度依赖响应并以绝对浓度单位（μM或mM）报告；机器人功能标准化最易错流体步骤，密闭光学舱规避手机读数的光照与相机差异；仪器约490美元（含平板）、单次耗材约7.65美元，67次后单检低于15美元目标，接近耗材下限，但量产与合规成本待补；试剂重配与应力测试确认适用于湿热环境。该工作架起尿标志物发现与真实PoC落地间实用桥梁，更广意义上证明便携RGB比色生物传感可为缺乏中心实验室地区提供可扩展的代谢物筛查框架。后续方向为尼日利亚扩样、拓展新 assay、研制免干预全自动化版本。