Nanoattles为疾病检测带来了新的可能性

Nanoattles为疾病检测带来了新的可能性杜克大学的研究人员开发了一种独特类型的纳米粒子，称为“nanorattle”，可以极大地增强从其外壳内发出的光。

该方法装载了称为拉曼报告分子的光散射染料，通常用于检测有机样品中的疾病生物标志物，该方法可以放大和检测来自不同类型纳米探针的信号，而无需昂贵的机器或医疗专业人员来读取结果。

在一项小型概念验证研究中，纳米响铃通过支持人工智能的即时护理设备准确识别出头颈癌，该设备可以彻底改变在资源匮乏地区检测这些癌症和其他疾病的方式，以改善全球健康。

结果于9月2日在线发表在《拉曼光谱学杂志》上。

“在这些所谓的nanorattles中捕获拉曼记者的概念以前已经完成，但大多数平台难以控制内部尺寸，”R.Eugene和SusieE.Goodson生物医学工程杰出教授TuanVo-Dinh说公爵。

“我们的团队开发了一种新型探针，在内核和外壳之间具有精确可调的间隙，这使我们能够加载多种类型的拉曼报告分子并放大它们的光发射，称为表面增强拉曼散射，”Vo-Dinh说。

为了制造纳米响铃，研究人员从一个大约20纳米宽的实心金球开始。在金核周围生长一层银以制成更大的球体(或立方体)后，他们使用称为电置换的腐蚀工艺将银掏空，在金核周围形成笼状外壳。然后将该结构浸泡在含有带正电的拉曼报告子的溶液中，这些报告子被带负电的金核吸入外笼。然后外壳被一层极薄的金覆盖，以将拉曼记者锁定在里面。

结果是一个大约60纳米宽的纳米球(或纳米立方体)，其结构类似于拨浪鼓——一个金核被困在一个更大的银金外壳中。两者之间的差距只有几纳米左右，刚好可以容纳拉曼记者。

这些严格的公差对于控制纳米响铃产生的拉曼信号增强至关重要。

当激光照射在纳米响铃上时，它会穿过极薄的外壳并击中内部的拉曼报告器，使它们发出自己的光。由于金核和外层金/银壳的表面非常接近，激光还会激发金属结构上的电子组，称为等离子激元。由于等离子激元与金属核壳结构的相互作用，这些电子组产生了极其强大的电磁场，这一过程称为等离子耦合，它将拉曼记者发出的光放大数百万倍。

“一旦我们让纳米机器人工作，我们就想制造生物传感设备，在人们知道自己生病之前检测传染病或癌症，”Vo-Dinh说。“随着纳米响铃的信号增强功能如此强大，我们认为我们可以进行一个简单的测试，任何人都可以在护理点轻松读取。”

在新论文中，Vo-Dinh和他的合作者将nanorattle技术应用于能够检测头部和颈部癌症的实验室设备，这些癌症出现在肩膀和大脑之间的任何地方，通常在嘴、鼻子和喉。几十年来，这些癌症的存活率一直徘徊在40%到60%之间。尽管近年来这些统计数据在美国有所改善，但在资源匮乏的地区情况变得更糟，在这些地区，吸烟、饮酒和咀嚼槟榔等风险因素更为普遍。

“在资源匮乏的地区，这些癌症通常出现在晚期，并导致结果不佳，部分原因是检查设备有限、缺乏训练有素的医护人员以及基本上不存在筛查计划，”头颈部教授WalterLee说杜克大学的外科和通信科学以及放射肿瘤学，以及该研究的合作者。

“有能力及早发现这些癌症应该会导致更早的治疗和结果的改善，包括生存和生活质量，”李说。“这种方法令人兴奋，因为它不依赖于病理学家的审查，并且有可能在护理点使用。”

原型设备使用特定的基因序列，其作用类似于研究人员正在寻找的生物标志物——在这种情况下，是一种在头颈癌患者中过度丰富的特定mRNA。当有问题的mRNA存在时，它就像一条绳索，将纳米响铃与磁珠结合起来。然后将这些珠子浓缩并由另一个磁铁固定在适当的位置，而其他所有东西都会被冲洗掉。然后，研究人员可以使用一种简单、廉价的手持设备来寻找纳米响铃发出的光，看看是否有任何生物标志物被捕获。

在实验中，该测试以100%的准确率确定了20个样本是否来自患有头颈癌的患者。实验还表明，nanorattle平台能够处理多种类型的纳米探针，这要归功于机器学习算法可以梳理单独的信号，这意味着它们可以同时针对多个生物标志物。这是该小组当前由美国国立卫生研究院资助的项目的目标。

“许多mRNA生物标志物在多种类型的癌症中过于丰富，而其他生物标志物可用于评估患者风险和未来治疗结果，”Vo-Dinh说。“一次检测多个生物标志物将帮助我们区分癌症，并寻找其他预后标志物，如人乳头瘤病毒(HPV)，以及阳性和阴性对照。将mRNA检测与新型纳米生物传感相结合将导致实现的范式转变一种诊断工具，可以彻底改变在资源匮乏地区检测这些癌症和其他疾病的方式。”