DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35246-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507410
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Mohamad Ali Saleh وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الاستشعار الحيوي والتحليل الحيوي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث جهاز استشعار نانو حيوي جديد مصمم للكشف عن تسلسل جين HPV-16 L1، والذي يعد حاسمًا لتشخيص سرطان عنق الرحم. يستخدم المستشعر تقنيات لونية وفلوورومترية، مستفيدًا من خيوط البولي أدينين (A₂₀) الخاصة لتخليق جزيئات الذهب النانوية غير المتجانسة (AuNPs) والعناقيد الذهبية الصغيرة جدًا (AuNCs) في الموقع عبر عملية اختزال موجهة بواسطة الحمض النووي. أكدت طرق التوصيف، بما في ذلك الرحلان الكهربائي في الهلام، وطيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، وميكروسكوبية الإلكترون الناقلة (TEM)، وطيف الفلورية، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، التكوين الناجح لهذه الجزيئات النانوية وتفعيلها بواسطة الحمض النووي، مما يمكّن من الكشف عن HPV-16.
أظهر جهاز الاستشعار الحيوي قدرة على الكشف عن HPV-16 L1 عبر نطاق تركيز من 0.78 نانومتر إلى 15.6 نانومتر، مع حدود الكشف (LOD) تبلغ 3.5 نانومتر من خلال إشارة AuNP المباشرة و3.11 نانومتر عبر النشاط الشبيه بالبيروكسيداز غير المباشر. أظهر الاختبار اللوني تغييرات لونية واضحة عند ارتباط الحمض النووي المستهدف، بينما قدم الاختبار الفلوري إشارة فلورية قوية، مما يميز بفعالية بين العينات الإيجابية والسلبية. بشكل عام، أظهر المستشعر حساسية عالية، وقابلية للتكرار، وخصوصية لـ HPV-16، وعمر تشغيلي موثوق، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في التشخيص الجزيئي لسرطان عنق الرحم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي الكبير الذي يشكله فيروس الورم الحليمي البشري (HPV)، وهو الفيروس الأكثر انتشارًا المنقول جنسيًا وأحد الأسباب الرئيسية لسرطان عنق الرحم، الذي يحتل المرتبة الثانية كأحد الأسباب الرئيسية للوفيات المرتبطة بالسرطان بين النساء على مستوى العالم. الأنماط الفرعية عالية الخطورة من HPV، وخاصة الأنواع 16 و18 و31 و45، هي المسؤولة بشكل أساسي عن تطور سرطان عنق الرحم. على الرغم من التقدم في برامج التطعيم التي خفضت معدلات الإصابة بفيروس HPV وحالات سرطان عنق الرحم، لا تزال الأعباء الكبيرة قائمة، خاصة في البلدان النامية ذات التغطية المنخفضة بالتطعيم. تؤكد هذه الحالة على الحاجة الملحة لتحسين طرق التشخيص للكشف المبكر والتدخل.
تعتبر تقنيات الفحص التقليدية الحالية، مثل اختبار الالتقاط الهجين، والتنظير المهبلي، واختبارات باب، غالبًا ما تكون مستهلكة للوقت وعرضة للأخطاء، مما قد يؤدي إلى تشخيصات مفقودة. يوفر اختبار الحمض النووي القائم على الجزيئات بديلًا أكثر دقة ولكنه مكلف ويتطلب معدات متخصصة. تقترح المقدمة أن دمج الكشف الجزيئي مع طرق هجين أبسط وأقل تكلفة يمكن أن يعزز فعالية الفحص. كما تناقش الإمكانيات المحتملة للمواد النانوية، وخاصة جزيئات الذهب النانوية (AuNPs) والعناقيد الذهبية (AuNCs)، في تحسين تقنيات التشخيص بفضل خصائصها البصرية الفريدة، واستقرارها، وتوافقها الحيوي. يمكن أن تسهل هذه المواد النانوية طرق الكشف الحساسة والدقيقة، مستفيدة من قدراتها الفلورية ورنين السطح البلازمي لمنصات الكشف ذات الوضعين.
طرق
في قسم “المواد والطرق”، استخدم الباحثون مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية بما في ذلك بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، وHEPES، و3،3′،5،5′-تترا ميثيل بنزيدين (TMB)، وحمض الكلور الذهب (HAuCl₄•4H₂O)، جميعها من مصدر Sigma-Aldrich. تم توفير أوليغونوكليوتيدات ذات تسلسلات قاعدية محددة من شركة Pishgam Biotech Co. من طهران، إيران.
لإعداد العينات للتحليل، تم تعريض محلول مائي مخفف للموجات فوق الصوتية لمدة 15 دقيقة. بعد ذلك، تم تطبيق 20 ميكرولتر من العينة على فيلم كربوني من الفورمار على شبكة نحاسية 300 (EMS-USA) وترك ليجف تمامًا في درجة حرارة الغرفة. تعتبر هذه الطريقة التحضيرية حاسمة لضمان سلامة وموحدية العينات للتحليل اللاحق.
مناقشة
في هذا القسم من المناقشة، يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى فحص فعال لسرطان عنق الرحم، خاصة في البيئات ذات الموارد المحدودة، ويقترحون جهاز استشعار حيوي جديد، فعال من حيث التكلفة، ومستقل عن المعدات للكشف عن HPV-16. على عكس الطرق التقليدية التي تعتمد غالبًا على خيوط الحمض النووي المعلمة بتكلفة عالية، تستخدم هذه الدراسة نهج الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) المكون من 20 نيوكليوتيد بدون علامات. يبرز المؤلفون التخليق الناجح لجزيئات الذهب النانوية (AuNPs) والعناقيد (AuNCs) من خلال طريقة بسيطة من وعاء واحد، والتي هي أسرع وأكثر اقتصادية. يسهل استخدام تسلسلات البولي أدينين اختزال أيونات الذهب إلى جزيئات نانوية، مما يعزز عملية الاقتران دون الحاجة إلى تعديلات مكلفة.
أظهر جهاز الاستشعار الحيوي خصوصية وحساسية عالية، مع حد كشف يبلغ 3.05 نانومتر للحمض النووي المستهدف، تم تأكيده من خلال كل من اختبارات الامتصاص والنشاط البيروكسيداز. يسمح النهج اللوني المزدوج المستخدم بالكشف عن الجينومات الفيروسية ذات السلسلتين دون تضخيم أو تعليم، مما يمثل تقدمًا كبيرًا مقارنة بالطرق الحالية. تشير الاختبارات الأولية على العينات السريرية إلى إمكانية تطبيق هذا الجهاز في البيئات التشخيصية الواقعية، خاصة لفحص سرطان عنق الرحم في الفئات السكانية ذات الدخل المنخفض. تشير النتائج إلى أن هذا النهج المبتكر يمكن أن يحسن بشكل كبير من الكشف المبكر وإدارة سرطان عنق الرحم.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35246-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507410
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Mohamad Ali Saleh et al.
Primary Topic: Advanced biosensing and bioanalysis techniques
Overview
The research presents a novel nanobiosensor designed for the detection of the HPV-16 L1 gene sequence, which is crucial for cervical cancer diagnostics. The sensor employs colorimetric and fluorometric techniques, utilizing specific probe-polyadenine (A₂₀) strands to synthesize anisotropic gold nanoparticles (AuNPs) and ultrasmall gold nanoclusters (AuNCs) in situ via a DNA-templated reduction process. Characterization methods, including gel electrophoresis, UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), fluorescence spectroscopy, and dynamic light scattering (DLS), confirmed the successful formation of these nanoparticles and their functionalization with DNA, enabling the detection of HPV-16.
The nanobiosensor demonstrated a detection capability for HPV-16 L1 across a concentration range of 0.78 nM to 15.6 nM, with limits of detection (LOD) of 3.5 nM through direct AuNP signal and 3.11 nM via indirect peroxidase-like activity. The colorimetric assay exhibited distinct color changes upon target DNA binding, while the fluorometric assay provided a strong fluorescent signal, effectively differentiating positive from negative samples. Overall, the sensor exhibited high sensitivity, repeatability, specificity for HPV-16, and a reliable operational lifespan, marking a significant advancement in molecular diagnostics for cervical cancer.
Introduction
The introduction highlights the significant public health challenge posed by human papillomavirus (HPV), the most prevalent sexually transmitted virus and a leading cause of cervical cancer, which ranks as the second leading cause of cancer-related deaths among women globally. High-risk HPV subtypes, particularly types 16, 18, 31, and 45, are primarily responsible for cervical cancer development. Despite advancements in vaccination programs that have reduced HPV infection rates and cervical cancer incidence, substantial burdens remain, particularly in developing countries with low vaccination coverage. This situation emphasizes the urgent need for improved diagnostic methods for early detection and intervention.
Current conventional screening techniques, such as the hybrid capture assay, colposcopy, and Pap tests, are often time-consuming and prone to errors, which can lead to missed diagnoses. Molecular-based HPV DNA testing offers a more accurate alternative but is costly and requires specialized equipment. The introduction suggests that integrating molecular detection with simpler, cost-effective hybrid methods could enhance screening efficacy. It also discusses the potential of nanomaterials, particularly gold nanoparticles (AuNPs) and gold nanoclusters (AuNCs), in improving diagnostic techniques due to their unique optical properties, stability, and biocompatibility. These nanomaterials can facilitate sensitive and specific detection methods, leveraging their fluorescence and surface plasmon resonance capabilities for dual-modality detection platforms.
Methods
In the “Materials and Methods” section, the researchers utilized various reagents including hydrogen peroxide (H₂O₂), HEPES, 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB), and chloroauric acid (HAuCl₄•4H₂O), all sourced from Sigma-Aldrich. Oligonucleotides with specified base sequences were provided by Pishgam Biotech Co. from Tehran, Iran.
To prepare the samples for analysis, a dilute aqueous solution was subjected to sonication for 15 minutes. Subsequently, a 20 μL aliquot of the sample was applied to a formvar carbon film on a 300 mesh copper grid (EMS-USA) and allowed to dry completely at room temperature. This preparation method is critical for ensuring the integrity and uniformity of the samples for subsequent analysis.
Discussion
In this discussion section, the authors emphasize the need for efficient cervical cancer screening, particularly in resource-limited settings, and propose a novel, cost-effective, and equipment-independent biosensor for detecting HPV-16. Unlike traditional methods that often rely on expensive thiol-labeled DNA strands, this study utilizes a label-free, 20-nucleotide single-stranded DNA (ssDNA) approach. The authors highlight the successful synthesis of gold nanoparticles (AuNPs) and nanoclusters (AuNCs) through a simple one-pot method, which is both faster and more economical. The use of polyadenine sequences facilitates the reduction of gold ions to nanoparticles, enhancing the conjugation process without the need for costly modifications.
The biosensor demonstrated high specificity and sensitivity, with a detection limit of 3.05 nM for the target plasmid, confirmed through both absorbance and peroxidase activity assays. The dual colorimetric approach employed allows for the detection of double-stranded viral genomes without amplification or labeling, marking a significant advancement over existing methods. Preliminary tests on clinical specimens indicate the potential applicability of this biosensor in real-world diagnostic settings, particularly for cervical cancer screening in low-income populations. The findings suggest that this innovative approach could significantly improve early detection and management of cervical cancer.