DOI: https://doi.org/10.1186/s40580-024-00428-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38811455
تاريخ النشر: 2024-05-29
المؤلف: Nana Lyu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الاستشعار الحيوي والتحليل الحيوي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدم في خزعة السائل لتشخيص السرطان، مع التأكيد على دور أجهزة الاستشعار الحيوية المعززة بالسطح (SERS) في الكشف عن مجموعة متنوعة من العلامات الحيوية المتداولة مثل خلايا الورم المتداولة (CTCs)، والأحماض النووية للورم المتداولة (ctNAs)، والحويصلات خارج الخلوية الصغيرة (sEVs)، والبروتينات. تصنف المراجعة منصات أجهزة الاستشعار الحيوية SERS إلى اختبارات بدون علامات، وأنظمة تعتمد على كريات مغناطيسية، وأجهزة ميكروفلويديك، واختبارات قائمة على الورق، حيث يساهم كل منها بشكل فريد في تعزيز حساسية وخصوصية الكشف عن العلامات الحيوية. تبرز المناقشة نقاط القوة والقيود لهذه المنصات، بالإضافة إلى تطوراتها المستقبلية المحتملة.
في الختام، تؤكد المراجعة على الإمكانات التحويلية لأجهزة الاستشعار الحيوية SERS في خزعة السائل، مما يسهل تشخيص السرطان بدقة وبدون تدخل جراحي. تتوقع المراجعة تقدمًا في الاختبارات بدون علامات، وأجهزة استشعار متعددة الحبيبات، وأجهزة ميكروفلويديك مصقولة، وحلول قائمة على الورق مصغرة، جميعها تهدف إلى تحسين سير العمل التشخيصي وسهولة الوصول. ومع ذلك، يجب معالجة التحديات مثل التوحيد، والتحقق من الاختبارات، والاعتبارات التنظيمية لضمان التكامل الموثوق لأجهزة الاستشعار الحيوية SERS في الممارسة السريرية. بشكل عام، تشير تقارب تقنية SERS مع خزعة السائل إلى مستقبل واعد لتشخيص السرطان، مع إمكانية تحسين رعاية المرضى من خلال طرق الكشف المحسنة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لأساليب تشخيص متقدمة في السرطان، وهو مرض معقد وغير متجانس. غالبًا ما تتضمن الأساليب التشخيصية التقليدية إجراءات جراحية وتفشل في التقاط الطبيعة الديناميكية لتقدم الورم. بالمقابل، تقدم خزعة السائل بديلاً غير جراحي من خلال تحليل التوقيعات الجزيئية الحيوية من الأورام الموجودة في سوائل الجسم. تشمل هذه الطريقة دراسة خلايا الورم المتداولة (CTCs)، والأحماض النووية للورم المتداولة (ctNAs)، والحويصلات خارج الخلوية الصغيرة (sEVs)، والبروتينات المتداولة، والتي توفر مجتمعة رؤى حول ديناميات الورم وتساعد في استراتيجيات العلاج الشخصية.
تم التعرف على CTCs لأول مرة في عام 1869، وقد حظيت باهتمام منذ منتصف التسعينيات بسبب التقدم في تقنيات العزل والكشف، حيث كانت نظام CellSearch هو الطريقة الأولى المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء للاستخدام السريري. ومع ذلك، فإن ندرة وتنوع CTCs تشكل تحديات كبيرة في الكشف عنها. توفر ctNAs، بما في ذلك الحمض النووي للورم المتداول (ctDNA) والميكرو RNA (miRNA)، مقياسًا أكثر وفرة وحساسية لحمولة الورم. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر sEVs والبروتينات المتداولة علامات حيوية واعدة غير جراحية لتشخيص السرطان ومراقبته. تؤكد الورقة على إمكانات أجهزة الاستشعار الحيوية المعززة بالسطح (SERS)، التي توفر حساسية عالية، وخصوصية، وقدرات متعددة للكشف عن علامات السرطان. تهدف المراجعة إلى استكشاف التطورات الأخيرة في تطبيقات SERS ضمن خزعة السائل، موضحة أنواع الاختبارات المختلفة وآثارها السريرية، مما يساهم في تقدم الطب الدقيق في تشخيص السرطان.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في الورقة البحثية التقدمات والتطبيقات لأجهزة الاستشعار الحيوية المعززة بالسطح (SERS) بدون علامات في خزعة السائل لتشخيص السرطان. تستخدم اختبارات SERS بدون علامات الأطياف رامان الداخلية للمواد، مثل خلايا الورم المتداولة (CTCs)، والأحماض النووية للورم المتداولة (ctNAs)، والحويصلات خارج الخلوية الصغيرة (sEVs)، دون الحاجة إلى وضع علامات، مما يبسط عملية الكشف. تعتبر جزيئات المعادن النبيلة، وخاصة الذهب (AuNPs) والفضة (AgNPs)، ركائز فعالة لـ SERS بسبب خصائصها البلازمونية القوية، التي تعزز إشارات رامان للمواد المستهدفة. تبرز هذه القسم التحديات في تمييز الميزات الطيفية المتداخلة من المصفوفات البيولوجية المعقدة وتؤكد على دمج خوارزميات التعلم الآلي لتحسين دقة التحليل الطيفي.
تناقش الورقة أيضًا دراسات محددة توضح فعالية SERS بدون علامات في تحديد علامات السرطان المختلفة. على سبيل المثال، نموذج يستخدم SERS القائم على فيلم الفضة نجح في تمييز CTCs عن خلايا الدم، بينما عرضت دراسة أخرى الكشف عن طفرات الحمض النووي باستخدام نجوم نانوية من سبائك الذهب والفضة. بالإضافة إلى ذلك، أظهر استخدام خوارزميات التعلم العميق في تحليل الأطياف SERS من sEVs دقة تشخيصية واعدة لأنواع مختلفة من السرطان، مما يبرز إمكانات هذه التكنولوجيا في التطبيقات السريرية. على الرغم من مزاياها، تشير الورقة إلى أن التحديات مثل الضوضاء الخلفية وإمكانية التكرار لا تزال قائمة، مما يتطلب مزيدًا من البحث لتحسين منهجيات SERS للاستخدام السريري الموثوق.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40580-024-00428-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38811455
Publication Date: 2024-05-29
Author(s): Nana Lyu et al.
Primary Topic: Advanced biosensing and bioanalysis techniques
Overview
The section provides an overview of the advancements in liquid biopsy for cancer diagnosis, emphasizing the role of surface-enhanced Raman scattering (SERS) biosensors in detecting various circulating biomarkers such as circulating tumor cells (CTCs), circulating tumor nucleic acids (ctNAs), small extracellular vesicles (sEVs), and proteins. The review categorizes SERS biosensor platforms into label-free assays, magnetic bead-based systems, microfluidic devices, and paper-based assays, each contributing uniquely to enhancing the sensitivity and specificity of biomarker detection. The discussion highlights the strengths and limitations of these platforms, as well as their potential future developments.
In conclusion, the review underscores the transformative potential of SERS biosensors in liquid biopsy, facilitating accurate and non-invasive cancer diagnosis. It anticipates advancements in label-free assays, multiplexed bead-based sensors, refined microfluidic devices, and miniaturized paper-based solutions, all aimed at improving diagnostic workflows and accessibility. However, challenges such as standardization, assay validation, and regulatory considerations must be addressed to ensure the reliable integration of SERS biosensors into clinical practice. Overall, the convergence of SERS technology with liquid biopsy signifies a promising future for cancer diagnostics, with the potential to enhance patient care through improved detection methods.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical need for advanced diagnostic methods in cancer, a complex and heterogeneous disease. Traditional diagnostic approaches often involve invasive procedures and fail to capture the dynamic nature of tumor progression. In contrast, liquid biopsy offers a minimally invasive alternative by analyzing biomolecular signatures from tumors present in body fluids. This method encompasses the study of circulating tumor cells (CTCs), circulating tumor nucleic acids (ctNAs), small extracellular vesicles (sEVs), and circulating proteins, which collectively provide insights into tumor dynamics and facilitate personalized treatment strategies.
CTCs, first identified in 1869, have gained attention since the mid-1990s due to advancements in isolation and detection techniques, with the CellSearch System being the first FDA-approved method for clinical use. However, the rarity and heterogeneity of CTCs pose significant challenges for their detection. ctNAs, including circulating tumor DNA (ctDNA) and microRNA (miRNA), offer a more abundant and sensitive measure of tumor burden. Additionally, sEVs and circulating proteins serve as promising non-invasive biomarkers for cancer diagnosis and monitoring. The paper emphasizes the potential of surface-enhanced Raman scattering (SERS) biosensors, which provide high sensitivity, specificity, and multiplexing capabilities for detecting cancer biomarkers. The review aims to explore recent developments in SERS applications within liquid biopsy, detailing various assay types and their clinical implications, ultimately contributing to the advancement of precision medicine in cancer diagnostics.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the advancements and applications of label-free Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) in liquid biopsy for cancer diagnostics. Label-free SERS assays utilize the intrinsic Raman spectra of analytes, such as circulating tumor cells (CTCs), circulating tumor nucleic acids (ctNAs), and small extracellular vesicles (sEVs), without the need for labeling, thereby simplifying the detection process. Noble metal nanoparticles, particularly gold (AuNPs) and silver (AgNPs), serve as effective SERS substrates due to their strong plasmonic properties, which enhance the Raman signals of target analytes. The section highlights the challenges in distinguishing overlapping spectral features from complex biological matrices and emphasizes the integration of machine learning algorithms to improve the precision of spectral analysis.
The paper also discusses specific studies demonstrating the efficacy of label-free SERS in identifying various cancer biomarkers. For instance, a model utilizing Ag film-based SERS successfully differentiated CTCs from blood cells, while another study showcased the detection of DNA mutations using Au-Ag alloy nanostars. Additionally, the use of deep learning algorithms in analyzing SERS spectra from sEVs showed promising diagnostic accuracies for different cancer types, underscoring the potential of this technology in clinical applications. Despite its advantages, the paper notes that challenges such as background noise and reproducibility remain, necessitating further research to optimize SERS methodologies for reliable clinical use.