肺癌已成为全球发病率和死亡率排名第一的癌症。但由于肺癌早期缺乏症状，大多数患者在中、晚期才被诊断，导致预后延迟，治疗结果较差。因此，临床上迫切需要寻找新型肿瘤标志物，同时研发兼备灵敏度高、特异性强、非侵入性的检测方法，以改善早期肺癌筛查结果。研究发现大多数circRNA参与肿瘤的进展，因此circRNA可能成为诊断肿瘤的理想生物标志物。表面增强拉曼光谱（SERS）是一种具有单分子水平超灵敏检测能力的分析方法，是检测各种生物样品的有力工具。目前还没有发现与早期肺癌密切相关的circRNA作为肿瘤标志物开展SERS光谱检测的文献报道。冯尚源教授团队在国际上率先开展基于SERS光谱技术的早期肺癌circRNA超灵敏定量检测研究，为肺癌早期诊断和预后评估提供新策略。
2024年4月11日，福建师范大学冯尚源教授、林多教授团队联合福建医科大学附属肿瘤医院许元基博士团队在ACS Sensors (IF=8.9)杂志上发表论文“Optical Nanobiosensor Based on Surface-Enhanced Raman Spectroscopy and Catalytic Hairpin Assembly for Early-Stage Lung Cancer Detection via Blood Circular RNA”。研究结果显示，该团队研发了一种基于表面增强拉曼光谱（SERS）联合催化发夹组装（CHA）技术的光学纳米生物传感器，该传感器能够通过血液样本高效检测与肺癌发生发展密切相关的环状RNA（circSATB2），为早期肺癌的筛查和治疗提供了新的方法。
亮点
1. 成功开发一种表面增强拉曼光谱（SERS）和催化发夹组装（CHA）相结合的生物传感器用于早期肺癌血清中微量circRNA超灵敏定量检测。
2. 利用硅片天然的二阶峰作为内标信号进行强度校准避免环境或其他因素干扰，确保定量检测结果的可靠性。
3. 该团队研发的circRNA SERS探针检测限达到0.766 fM，在实际临床样本检测中能够很好的区分健康人群、早期肺癌患者，还能够区分肺癌的早期阶段（IA和IB）和亚型（IA1, IA2, IA3），显示出其在临床应用中的重大潜力。
1. SERS传感器的设计原理
如图1该研究方案利用SERS技术提供的超高灵敏度检测能力开展血液中circRNA定量检测研究。核壳结构纳米探针由金纳米核心和银壳组成，核壳间修饰有拉曼报告分子DTNB，用于捕获和放大目标circRNA的信号。通过特定的核壳结构纳米探针和二维SERS基底，在金属纳米结构上形成可重现性的“热点”显著增强了拉曼光谱信号，实现对目标circRNA的超灵敏检测，再利用单晶硅二阶峰作为内标信号进行强度校准更确保了定量检测结果的可靠性。
图1. 生物传感器的设计原理
2. SERS纳米探针Au@DTNB@Ag NPs表征
图2展示了Au@DTNB@Ag NPs纳米探针的制备和特性。通过动态光散射、紫外-可见光谱、拉曼光谱和能量色散X射线光谱元素映射技术，证实了纳米探针的成功合成和结构特征（图2a-e）。结果表明，拉曼信号分子DTNB成功嵌入到金纳米核心和银壳之间，为后续的SERS检测提供了稳定的信号源。
图2.SERS纳米探针Au@DTNB@Ag NPs表征
3. SERS二维基底表征
通过扫描电子显微镜（SEM）和紫外-可见光谱技术，表征了2D SERS基底的形貌和光学特性（图3a-c）。结果表明，银纳米颗粒成功转移到硅晶片上，形成了均匀的单层2D SERS基底，为构建“三明治”结构的SERS生物传感器提供了理想的检测平台（图3d-e）。
图3. SERS二维基底表征
4. SERS传感器的可行性分析和条件优化
作者通过琼脂糖凝胶电泳验证了设计的循环放大方案的有效性（图4a）。结果表明，目标circRNA能够触发发夹H1和H2的互补配对，形成双链结构，从而证明了CHA方法能够有效放大目标circRNA。同时对SERS纳米探针核壳厚度和反应时间进行优化（图4b-c）。我们验证了不同批次合成的SERS纳米探针具有较好的重现性（图4d），以及SERS纳米探针在二维基底上分布均一性（图4e-f）。
图4. 生物传感器的可行性分析和条件优化
5. 生物传感器用于circRNA的超灵敏定量检测
作者进一步展示了SERS传感器对不同浓度circSATB2的检测性能。随着circSATB2浓度的增加，SERS信号强度在1335 cm−1处增加，表明传感器能够灵敏地检测目标circRNA（图5a-b）。通过绘制信号强度与circSATB2浓度的工作曲线图，得到了良好的线性关系和低检测限（0.766 fM），证明了传感器的高灵敏度和定量检测能力（图5c-d）。进一步验证传感器特异性，表明我们设计的SERS生物传感器具有强的特异性和抗干扰性能（图5e-f）。
图5. 生物传感器用于circRNA的超灵敏定量检测
6. SERS传感器用于临床血清样本中circRNA的检测
作者利用SERS传感器用于临床血清样本中circRNA的检测。通过在健康人群和肺癌患者血清样本中的应用测试，验证了SERS传感器的实际检测能力。结果表明，肺癌患者血清中的circSATB2表达水平显著高于健康人群，且手术后患者circSATB2水平显著下降（图6a-c），我们的结果与qRT-PCR的结果一致（图6d-f）。此外，该传感器还能够区分肺癌的早期阶段（IA和IB）和亚型（IA1, IA2, IA3）（图6g-i），显示出其在临床应用中的重大潜力。
图6. SERS传感器用于临床血清样本中circRNA的检测
总结
以上研究结果证明了基于SERS光谱联合CHA技术的光学纳米生物传感器在早期肺癌检测中具有重要的应用价值。该传感器不仅展现了高灵敏度和良好的特异性，还能够在实际的临床样本中准确检测到目标分子，为肺癌的早期诊断和治疗提供了新的思路和方法。