這種新的血液檢查可以在掃描顯示癌症之前檢測出癌症

蛋白質、DNA 部分和其他分子等生物標記可以顯示癌症是否存在、癌症進展或一個人患癌症的風險。困難在於，在疾病的早期階段，這些標記物的濃度非常低，因此很難使用傳統工具進行測量。

「我們的感測器將 DNA 奈米結構與量子點和 CRISPR 基因編輯技術相結合，利用一種稱為二次諧波發生 (SHG) 的光方法來檢測微弱的生物標記訊號，」中國深圳大學的研究小組組長張涵說道。 “如果成功，這種方法可以幫助簡化疾病治療，有可能提高生存率並降低整體醫療保健成本。”

在 光學的在 Optica 出版集團的高影響力研究期刊《光學》雜誌上，張和他的團隊報告說，該設備在亞原子水平上檢測到患者樣本中的肺癌生物標記。即使只有幾個分子，系統也會產生清晰的、可測量的訊號。由於該平台是可編程的，因此它可能適用於識別病毒、細菌、環境毒素或與阿茲海默症等疾病相關的生物標記。

張說：“對於早期診斷，這種方法有望在 CT 掃描顯示腫瘤之前對肺癌進行簡單的血液檢測。” “它還可以幫助醫生開發個性化的治療方案，讓醫生每天或每週監測患者的生物標誌物水平以評估藥物的有效性，而不是等待數月的成像結果。”

自由放大光學感測器技術

目前大多數生物標記測試都需要化學放大來增加小分子訊號，這增加了時間、複雜性和成本。研究人員的目標是創建一種直接檢測策略來消除這些額外的步驟。

該系統基於SHG，這是一種非線性光學現象，其中入射光被轉換為半波長光。在此設計中，SHG 在稱為二硫化鉬 (MoS2) 的二維半導體表面上進行。

為了精確定位感測組件，團隊建構了 DNA 四面體，這是一種完全由 DNA 組成的小型金字塔形奈米結構。這些結構使量子點與 MoS2 表面的距離受到嚴格控制。量子點增強了局部光場並增強了 SHG 訊號。

然後結合 CRISPR-Cas 基因編輯技術來識別特定的生物標記。當 Cas12a 蛋白檢測到其目標時，它會切割錨定量子點的 DNA 鏈。此操作會導致 SHG 訊號明顯減弱。由於 SHG 產生的背景噪音非常小，因此該系統可以高靈敏度檢測非常低的生物標記濃度。

「我們不只是將 DNA 視為一種生物材料，而是將其用作可編程構建塊，使我們能夠以奈米級精度組裝感測器的組件，」張說。 “透過將可有效降低背景雜訊的非線性光學感測與無放大設計相結合，我們的方法在速度和精度之間提供了出色的平衡。”

人類血清中成功進行肺癌檢測

為了評估現實世界的表現，研究人員專注於 miR-21，一種與肺癌相關的 microRNA 生物標記。在確認該設備可以檢測受控緩衝溶液中的 miR-21 後，他們用肺癌患者的人血清進行了測試，以模擬實際的血液測試。

「該感測器運作良好，表明整合光學、奈米材料和生物學可以成為改進該設備的有效策略，」張說。 「該感測器也非常具體——它忽略了其他類似的 RNA 鏈，只檢測到肺癌目標。”

下一個目標是縮小視覺系統。研究人員的目標是開發一種便攜式版本，可以在床邊、門診診所或醫療資源有限的偏遠地區使用。