光热免疫分析：用温度计也能诊断癌症

癌症的早期确诊对其有效治疗具有重要的积极意义。癌胚抗原（CEA）、甲胎蛋白（AFP）等肿瘤标志物的检测已成为癌症早期诊断的重要途径之一，那么，有没有一种在家中或医务人员办公室即可完成的现场即时检测（POCT）方法呢？近日，美国德克萨斯大学埃尔帕索分校（University of Texas at El Paso, UTEP）的李秀军（XiuJun Li）（点击查看介绍）团队发展了一种新的免疫检测方法：光热免疫分析方法（photothermal immunoassay，图1），应用最常见的家用检测工具温度计即可定量读取肿瘤标志物的浓度。

目前，医院检验科室最常用的肿瘤标志物检测方法为酶联免疫吸附测定法（ELISA），如基于辣根过氧化物酶（HRP）催化的TMB-H₂O₂比色反应体系就是一种应用最广泛的ELISA体系。然而这种方法需要在比较健全的实验室内完成，通常依赖较为昂贵的大型分析仪器（如酶标仪）用于定量读数，成本较高且操作繁琐，操作者需要具备一定的专业技能。这些现实问题使该方法在亲民度上有所折扣，尤其是在医疗和财政资源匮乏的低收入国家和地区，限制了其在现场即时检测（POCT）中的应用潜力。

李秀军团队研发的这种光热免疫分析方法采用温度计作为肿瘤标志物浓度的定量读数工具，很好地弥补了上述缺陷。该团队首次发现了传统HRP/Fe₃O₄纳米粒子（NPs）-TMB-H₂O₂比色反应体系的近红外光热效应。研究发现，该比色反应体系中TMB的单电子氧化产物（氧化TMB）在808 nm激光的照射下，表现出较强的光热转换效应。激光照射仅20秒即可引起该反应体系温度升高17.9 ℃，而且温度升高值在一定范围内和比色反应催化剂（Fe₃O₄ NPs）的浓度呈线性关系。以人前列腺特异性抗原（PSA）为检测模型，该团队进一步将Fe₃O₄ NPs-TMB-H₂O₂体系应用于人血清中PSA的光热免疫检测 (图2)。该检测体系中氧化TMB不仅可作为比色探针，还可作为光热探针，将PSA浓度相关的免疫检测信号转换为热信号，从而实现以温度计作为肿瘤标志物浓度的定量读数工具。采用这种方法，PSA的检测限（LOD）可低至1.0 ng/mL，低于实际临床中人前列腺癌诊断的异常阈值（4.0 ng/mL）。这种光热免疫分析方法具有较高的重复性，同时对血清中常见的其他干扰物也具有较强的选择性。

图1. 光热免疫分析方法的原理示意图

温度计的使用历史长达几个世纪，已成为老百姓最为熟知的一种家用分析工具，作为一种免疫检测读数工具，其优势不言而喻。低成本且能满足不同波长和激光强度需求的手持式、笔式激光器也越来越普及，检测成本逐步降低。光热效应（photothermal effect）现在已广泛用于癌症的治疗，但是还没有用来定量检测肿瘤标记物浓度和疾病的诊断方式。该课题组的工作不仅提供了一种简单低成本的疾病检测方法，也大大拓展了光热效应的应用范围。李秀军团队的其他相关工作还发表在Nanoscale (Nanoscale, 2016, 8, 5422)上。除此之外，由于TMB-H₂O₂比色反应体系是目前应用最广泛的一种ELISA体系，因此基于该体系的光热免疫分析方法具有广阔的应用前景，在家中或医务人员办公室完成肿瘤标志物的现场即时检测不再遥远。目前，该团队正致力于此研发的商业化推广阶段。这一成果近期发表在Analytical Chemistry上，文章的第一作者是在该团队的博士后付光磊（Guanglei Fu）博士，目前就职于宁波大学。

图2. 光热免疫分析方法用于PSA的检测结果：（A）温度升高值和PSA浓度（Log值）间的线性标准曲线；（B）PSA和其他干扰物免疫检测体系的比色结果；（C）不同待检物免疫检测体系的吸光度（650 nm）；（D）不同待检物免疫检测体系的温度升高值。

该论文作者为：Guanglei Fu, Sharma T. Sanjay, Wan Zhou, Rolf A. Brekken, Robert A. Kirken, XiuJun Li

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Exploration of Nanoparticle-Mediated Photothermal Effect of TMB-H₂O₂ Colorimetric System and Its Application in a Visual Quantitative Photothermal Immunoassay

Anal. Chem., 2018, 90, 5930, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00842

李秀军博士简介

李秀军，美国德克萨斯大学埃尔帕索分校（University of Texas at El Paso，缩写UTEP）终身副教授，2008年于加拿大西门菲莎大学（Simon Fraser University，SFU）取得博士学位，2008至2009年在美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）从事博士后研究，2010年至2011年在哈佛大学（Harvard University）师从著名的GeorgeWhitesides教授从事博士后研究，2012年初就职于UTEP。

李秀军课题组的研究领域是面向微流控生物芯片和纳米技术在生物分析、生物医学和环境方面的应用，特别是专注于低成本诊断、病原体和癌症标志物的快速检测、纳米生物传感器、组织工程和单细胞分析等领域的创新和研发；在相关领域发表SCI论文60余篇，包括以通讯作者身份发表Adv. Drug Deliv. Rev.、Appl. Catal. B-Environ.、Nanaoscale、Anal. Chem.、Chem. Commun.、Biosens. Bioelectron.、Lab Chip等，发明专利16项，并在Elsevier出版专著Microfluidic Devices for Biomedical Applications；担任Nature Publishing Group旗下Scientific Reports和Micromachines等多家期刊的资深编辑；曾获得“Bioanalysis Young Investigator Award” (2014)、Outstanding FacultyResearch Mentoring Award（2018和2016两次）、NIH BUILDING Scholar Mentoring Award (2017) 、UT STARS Award (2012)、Dean of Graduate Studies Convocation Medal from SFU(2009)以及中国国家优秀自费留学生奖（2004）等。

李秀军

http://www.x-mol.com/university/faculty/46687

课题组链接

http://li.utep.edu