Гибкий графеновый биосенсор для быстрой, высокочувствительной детекции клеток рака яичника

Аннотация

Раннее обнаружение рака яичника остаётся критическим вызовом, в основном из-за неспецифических симптомов и отсутствия надежных скрининговых инструментов. Мы представляем экономичный, гибкий графеновый биосенсор, изготовленный на полиэтилентерефталате (ПЭТ/ПET), который обнаруживает циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК/CTC) с высокой чувствительностью и скоростью. Сенсор различает среду клеточной культуры и суспензии клеток рака яичника, по-разному реагирует на разные типы клеток и сохраняет предел детекции всего в несколько десятков клеток на миллилитр. Удивительно, биосенсор доставляет измеримый электрический отклик в течение 5 секунд, предлагая многообещающую платформу для быстрой диагностики в точке лечения.

Графическая аннотация

Введение

Рак яичника — второе по распространённости гинекологическое злокачественное новообразование и главная причина смерти среди женщин с гинекологическими раками. Текущие стратегии скрининга — визуализация в комбинации с тестированием антигена CA125 — предлагают ограниченную чувствительность, особенно на ранних стадиях, где показатели выживания резко падают. Ранние опухоли высвобождают ЦОК в кровоток, предоставляя неинвазивный биомаркер, который, если детектируется с достаточной чувствительностью, может трансформировать исходы для пациентов. Хотя разработано несколько иммуномагнитных и микролидных техник, ни одна ещё не соответствует высокой специфичности и быстрому обороту, необходимым для клинического принятия.

Графен, двумерная решётка sp²-связанного углерода, выступила универсальной платформой для биосенсинга благодаря своей исключительной электрической проводимости и большой площади поверхности. Предыдущие графеновые устройства успешно kvantифицировали белковые биомаркеры такие как CEA и PSA, однако гибкие, низкокостные графеновые биосенсоры для ЦОК рака яичника оставались неисследованными. Это исследование вводит рукотворенный графен/PET сенсор, адресующий эти пробелы за счёт сочетания механической гибкости, быстрого отклика и высокой чувствительности.

Материалы и методы

Рост и перенос графеновой плёнки

Монослойный графен синтезировали на медной фольге методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Фольга прошла 5-минутную очистку хлористоводородной кислотой, за которой следовали промывка дионизированной водой и сушка азотом. В камере CVD температура нарастала до 1000 °C под водородной атмосферой (50 sccm) в течение 20 минут, затем метан (50 sccm) вводили на дополнительные 20 минут для роста графенового слоя. После охлаждения графен/медь субстрат резали, покрывали ПММА, и медь травляли в 1 М FeCl₃. Стек ПММА/графен промывали, переносили на ПЭТ и удаляли ПММА ацетоном для получения графен/ПЭТ плёнки.

Фабрикация графеновых биосенсоров

Графеновая плёнка резали на куски 1 см × 2 см и переносили на ПЭТ. Два серебрянопастовых электрода позиционировали центрально. силиконовый гелевый колодец, измеряющий несколько миллиметров в длину и ширину и ~1 мм в высоту, отливали вокруг электродов для создания клетковой ванны. Готовый сенсор верифицировали анализатором полупроводников Agilent 4155B.

Культура клеток SKOV3 рака яичника

Клетки SKOV3 (полученные из публичной лаборатории Второго аффилированного госпитала Западной Китая) выращивали в среде RPMI-1640 с 10% телячьим сывороточным, поддерживали при 37 °C и 5% CO₂.

Подготовка клеточного раствора и электрическое измерение

Клеточные суспензии разбавляли до желаемых концентраций в культурной среде. 50 мкл аликвоты помещали в силиконовый колодец, и получившееся изменение тока записывали с помощью анализатора Agilent 4155B.

Результаты и обсуждение

10 × 10 см графеновая плёнка (Рисунок 1а) демонстрировала тонкое потемнение относительно чистой меди, подтверждая покрытие графеном. Рамановский анализ (Рисунок 1б) كشف пики G и 2D на 1580 см⁻¹ и 2680 см⁻¹, в то время как отношение I_G/I_2D (<0,5) и пренебрежимый D-пик (Рисунок 1в) подтвердили монослойное качество и низкую дефектность.

a Фото чистой медной фольги (слева) и графен-покрытой медной фольги (справа). b Рамановский спектр графен/медь. c Рамановский спектр графен/SiO₂/Si.

Гибкие сенсоры на ПЭТ (Рисунок 2) производили чёткие электрические сигналы при добавлении 50 мкл образца в клетковую ванну. Базовый ток оставался стабильным до добавления образца; при контакте ток падал и стабилизировался на новом значении. Относительный отклик, определённый как η = (I₀ – I)/I₀ × 100%, составил 2,96% для среды без клеток и 37,04% для ЦОК раствора, содержащего 30 клеток/мл, указывая на выраженную чувствительность к раковым клеткам.

Фотография графен/ПЭТ биосенсора.

Временнно-разрешённые измерения (Рисунок 3) показали, что 30 клеток/мл ЦОК раствор достиг 5% отклика за всего 2,1 с, в то время как та же концентрация среды дала только 0,15% изменение. Быстрый, суб-10-секундный отклик подтверждает пригодность сенсора для использования в точке лечения.

a Электрический отклик для среды без клеток. b Отклик для 30 клеток/мл ракового раствора.

Мы дополнительно протестировали две различные линии ЦОК (SUDHL8 и OCILYS) при 10 000 клеток/мл. Хотя обе продемонстрировали измеримые отклики, их профили тока-времени значительно отличались, предполагая, что сенсор может дискриминировать между типами клеток (Рисунок 5).

Время-зависимый отклик для (a) SUDHL8 и (b) OCILYS клеток.

Наконец, мы оценили концентрационно-зависимое поведение сенсора, используя клетки SUDHL8 при 10 К и 100 К клеток/мл. Более высокие концентрации производили слегка меньшее изменение тока, отражая изоляционную природу плотно упакованных клеток (Рисунок 6). Тем не менее, сенсор сохранял отличительный отклик, подчёркивая свой квантитативный потенциал.

a Ток против времени для 10 К против 100 К клеток/мл. b Соответствующие кривые отклика.

В совокупности данные демонстрируют, что рукотворенный, гибкий графеновый биосенсор может чувствительно и быстро детектировать ЦОК рака яичника, дискриминировать между типами клеток и квантифицировать концентрацию клеток — всё за секунды.

Заключение

Мы изготовили простой, гибкий графеновый биосенсор на ПЭТ, детектирующий ЦОК рака яичника с замечательной скоростью и чувствительностью. Сравнивая пред- и постовбразцовые электрические сигналы, устройство различает раковые и нераковые среды, идентифицирует разные клеточные линии и квантифицирует концентрацию клеток. Эта низкокостная платформа обещает быструю диагностику в точке лечения, которая может улучшить раннее обнаружение и мониторинг рака яичника.

Доступность данных и материалов

Все релевантные данные включены в статью и её дополнительные файлы.

Аббревиатуры

CA:

Углеводный антиген

CTC:

Циркулирующая опухолевая клетка

PET:

Полиэтилентерефталат

FDA:

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и лекарственных средств

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы