一种新型光基传感器能够检测到血液中极其微量的癌症生物标志物，为更早期、更简便的癌症检测带来了可能性。这项技术融合了DNA纳米技术、CRISPR和量子点，能从寥寥数个分子中生成清晰信号。在肺癌检测中，它甚至在真实患者血清样本中也能有效工作。研究人员希望这项技术最终能推动用于癌症及其他疾病的便携式血液检测。
像蛋白质、DNA片段和其他分子这样的生物标志物，可以指示癌症是否存在、如何进展，或一个人患癌的风险。难点在于，在疾病的最早期阶段，这些标志物以极低的浓度存在，使得传统工具难以测量。
"我们的传感器结合了由DNA制成的纳米结构、量子点和CRISPR基因编辑技术，通过一种名为二次谐波生成（SHG）的光学方法来检测微弱的生物标志物信号，"中国深圳大学的研究团队负责人张涵说。"如果成功，这种方法可能有助于简化疾病治疗，潜在地提高生存率，并降低整体医疗成本。"
在Optica出版集团的高影响力研究期刊《Optica》上，张涵及其团队报告称，该设备在患者样本中检测到了亚阿托摩尔级别的肺癌生物标志物。即使只有少数分子存在，系统也能产生清晰可测的信号。由于该平台是可编程的，它有可能被用于识别病毒、细菌、环境毒素，或与阿尔茨海默病等疾病相关的生物标志物。
"对于早期诊断，这种方法有望在CT扫描可能看到肿瘤之前，实现简单的肺癌血液筛查，"张涵说。"它还可能通过允许医生每天或每周监测患者的生物标志物水平来评估药物疗效，而不是等待数月才能获得影像结果，从而推动个性化治疗方案的进展。"
无扩增光学传感技术
目前大多数生物标志物检测需要化学扩增来增强微小的分子信号，这增加了时间、复杂性和成本。研究人员旨在创建一种直接检测策略，以消除这些额外步骤。
该系统依赖于SHG，这是一种非线性光学现象，其中入射光被转换为波长减半的光。在这种设计中，SHG发生在一种名为二硫化钼（MoS₂）的二维半导体表面。
为了精确定位传感组件，该团队构建了DNA四面体，这是一种完全由DNA形成的小型金字塔形纳米结构。这些结构将量子点保持在距离MoS₂表面精心控制的距离上。量子点增强局部光场并提升SHG信号。
随后，集成了CRISPR-Cas基因编辑技术来识别特定生物标志物。当Cas12a蛋白检测到其目标时，它会切割锚定量子点的DNA链。这一动作触发SHG信号的可测量下降。由于SHG产生的背景噪声非常低，该系统能够以高灵敏度检测极低浓度的生物标志物。
"我们不把DNA仅视为生物物质，而是将其用作可编程的构建模块，使我们能够以纳米级精度组装传感器的组件，"张涵说。"通过将有效最小化背景噪声的光学非线性传感与无扩增设计相结合，我们的方法在速度和精度之间实现了独特的平衡。"
成功在人类血清中检测肺癌
为了评估实际性能，研究人员聚焦于miR-21，这是一种与肺癌相关的microRNA生物标志物。在确认该设备能在受控缓冲溶液中检测miR-21后，他们使用来自肺癌患者的人类血清进行测试，以模拟实际血液检测。
"传感器工作得非常好，表明集成光学、纳米材料和生物学可以是优化设备的有效策略，"张涵说。"传感器也具有高度特异性——忽略其他类似的RNA链，只检测肺癌目标。"
下一个目标是缩小光学系统。研究人员旨在开发一种便携式版本，可用于床边、门诊诊所或医疗资源有限的偏远地区。