寧波材料所SERS探針腫瘤體外診斷系列研究進展

惡性腫瘤嚴重威脅人類生命健康，“早診、早治”是根治腫瘤的最佳途徑。目前臨床腫瘤診斷方法主要依賴手術和穿刺活檢，是侵入性檢查手段，給患者帶來了生理痛苦和心理負擔。因此開發一種非入侵式、高檢測靈敏度的譜學/圖像分析引導技術應用于實體腫瘤的前期診斷和術后評估是實現腫瘤精準診斷的關鍵，也已成為材料科學和生物學科等多學科交叉領域共同關注的重要科學問題。納米材料表面增強拉曼散射（SERS）光譜/圖像具有高檢測靈敏度、選擇性增強特性、穩定性高、可提供組分指紋信息等檢測優勢，可高效應用于腫瘤的液體活檢，實現外周血樣中腫瘤細胞的精準診斷。中國科學院寧波材料技術與工程研究所納米生物材料團隊在SERS生物探針材料設計及應用研究方面取得了系列進展。

納米生物材料團隊開發了基于表面增強拉曼散射（SERS）光譜和磁共振造影（MRI）增強的Fe3O4雙模態成像生物探針，研究發現超小粒徑Fe3O4納米粒子具有顯著的SERS活性（5×10-9 M檢測極限）。Fe3O4納米粒子具有高效的光誘導電荷轉移（PICT）效應歸因于Fe元素的多個價態能級促進電子躍遷。密度泛函理論計算進一步揭示了超小粒徑Fe3O4納米粒子的窄帶隙和高電子態密度能夠明顯提高SERS-目標分子體系中的振動耦合共振效應。通過構建具有高靈敏度和腫瘤靶向特異性的Fe3O4生物探針，可以實現不同亞型三陰乳腺癌腫瘤細胞的體外SERS信號/成像區分鑒定。同時，Fe3O4的生物探針也展現出對荷瘤小鼠體內腫瘤的主動靶向MRI造影特性，實現了半導體生物探針的SERS-MRI雙模態成像分別用于體外和體內腫瘤成像，不僅在腫瘤早期診斷中具有優勢，而且在影像引導腫瘤治療方面具有巨大潛力（圖1）。相關成果以“Multiple Valence States of Fe Boosting SERS Activity of Fe3O4 Nanoparticles and Enabling Effective SERS-MRI Bimodal Cancer Imaging”為題發表在國家自然科學基金委主辦的綜合性英文學術期刊Fundamental Research（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822002035）上。

進一步，為了高效提取外周血樣中的腫瘤細胞，提高SERS納米生物探針對腫瘤細胞的靶向檢測能力。納米生物材料團隊聯合寧波諾丁漢大學任勇副教授團隊，合作開發了微流控富集分離與拉曼光譜快速檢測腫瘤細胞技術，開發出一種新型的基于微篩分離手段和腫瘤靶向特性的黑色氧化鈦（B-TiO2）SERS生物探針用于循環腫瘤細胞（CTC）原位檢測。該研究先利用微篩芯片對人體血液中目標細胞進行純化分離，以排除大部分血液細胞的干擾，再利用葉酸修飾的SERS生物探針識別芯片上捕獲的腫瘤細胞，從而實現外周血樣中單個腫瘤細胞篩選和原位檢測，實驗結果具有高檢測靈敏度、特異性和準確性。更重要的是，該研究工作設計的微流控-SERS生物探針能夠有效應用于臨床腫瘤樣本的有效檢測，有望為循環腫瘤細胞的檢測提供新的策略（圖2）。相關成果以“TiO2-based Surface-Enhanced Raman Scattering bio-probe for efficient circulating tumor cell detection on microfilter“為題發表在Biosensors and Bioelectronics，2022，210：114305（https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114305）。

此外，納米生物材料團隊開發了生物相容性較好、具有選擇性增強特性、光譜穩定性強的半導體氧化銀SERS納米生物探針，應用于外周血樣的循環腫瘤細胞檢測。該研究先利用淋巴細胞分離液對外周血樣中的血細胞進行分離，排除紅細胞和白細胞對SERS檢測的干擾，再通過葉酸修飾的SERS生物探針靶向識別血樣中的腫瘤細胞，從而實現外周血樣中單個循環腫瘤細胞的原位精準檢測。肺癌患者外周血樣的有效準確檢測也證明了Ag2O基SERS生物探針具有優異的臨床應用前景（圖3）。相關成果以”Octahedral silver oxide nanoparticles enabling remarkable SERS activity for detecting circulating tumor cells”為題發表在Science China life science，2022，65: 561-571（https://doi.org/10.1007/s11427-020-1931-9）。

Ag2O基SERS生物探針用于腫瘤細胞檢測

為了進一步研發高SERS活性的半導體納米材料，納米生物材料團隊聯合北京航空航天大學郭林教授團隊，通過制備多孔ZnO納米片，在材料表面引入大量缺陷態，提高了ZnO材料的SERS增強因子，并發現一種低溫增強半導體SERS活性的方法，低溫可以有效削弱晶格的熱振動，從而減少聲子相關的非輻射躍遷復合，能夠有效促進表面缺陷態能級相關的電子躍遷，展現出了低溫SERS生物傳感的應用潛力（圖4）。相關成果以”Low temperature-boosted high efficiency photo-induced charge transfer for remarkable SERS activity of ZnO nanosheets”為題發表在Chemical Science,2020, 11, 9414（https://doi.org/10.1039/d0sc02712j）。

半導體材料低溫SERS效應

基于上述開發的系列SERS納米生物探針，通過與浙江省腫瘤醫院邵國良主任醫師團隊合作，SERS探針能夠有效用于臨床病人外周血樣中的乳腺癌、肝癌和肺癌循環腫瘤細胞的準確檢測，已完成180例不同癌種臨床樣本有效檢測，檢測靈敏度可以達到單細胞水平，檢測準確度可達90%以上。進一步的研究發現，SERS生物探針可有效區分不同亞型的乳腺癌腫瘤細胞，實現乳腺癌分子分型鑒定檢測（ZL申請號：202110745849.1、202210148829.0、202210425260.8）。

以上工作得到了國家自然科學基金杰出青年科學基金（32025021）、國家自然科學基金面上項目（31971292）和青年基金（52002380）、中科院STS項目（KFJ-STS-ZDTP-061）、浙江省及寧波市（2019C03058、2019A-14-C）等項目的資助。