具有生物三维精细结构的金属SERS基板用于肿瘤标记物识别的机理研究

To realize a general survey of early-stage cancers for their hazard-reductions, this interdisciplinary project (of materials and medical science) applies metallic butterfly wings (scale-covered) as surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates to the identification of tumor markers. For the first time, the unique properties (e.g. high-sensitivity, high-reproducibility, and low-cost) of these novel SERS substrates with three-dimensional sub-micrometer structures will be introduced to the early detection of cancers. To clarify the corresponding mechanisms in the identification process and to develop a general detection route with high-speed, high-reliability, and low-cost, the conformation changes as well as the stabilizations of some key tumor markers absorbed on the metallic butterfly wing surfaces will be studied herein. The mechanisms on how the tumor markers' Raman signals will be enhanced by the microstructures of the metallic butterfly scales will be addressed as well. Moreover, a technical route from the selection of the optimal scale morphologies to their replications in metals will be generated. This project will finally develop a preliminary methodology for identifying the tumor makers in real human body fluids, aiming at the realization of a fast, sensitive, and feasible general survey for all the society members across the world.

针对如何实现全社会早期癌症普查、有效降低癌症危害这一涉及亿万人福祉重大问题和难点，本项目通过材料学、医学跨学科领域交叉，首次将具有蝶翅鳞片三维精细结构的表面增强拉曼散射（SERS）金属基板用于肿瘤标记物的识别，把该新型SERS基板所具有的超高灵敏、可重复、低成本的独特优势引入早期癌症普查。以阐明标记物识别过程中的相关机理，快速、可靠、低成本地检测肿瘤标记物为目标，探索关键肿瘤标记蛋白在金属蝶翅表面的构象变化规律及稳定化方法，研究具有蝶翅鳞片微结构的金属材料对标记蛋白拉曼特征信号的增强机制，构筑一条从原始生物构型选择到金属蝶翅SERS基板制备的技术路线，初步建立起肿瘤标记物在实际人体体液环境中的信号检出、区分手段，为实现全体社会民众不分贫富、高效灵敏、切实可行的早期癌症定期普查奠定基础。

针对如何实现全社会早期癌症普查、有效降低癌症危害这一涉及亿万人福祉重大问题和难点，本项目通过材料学、医学跨学科领域交叉，首次将具有蝶翅鳞片三维精细结构的表面增强拉曼散射（SERS）金属基板用于肿瘤标记物的识别，把该新型SERS基板所具有的超高灵敏、可重复、低成本的独特优势引入早期癌症普查。针对如何将具有蝶翅鳞片亚微米结构的新型SERS基板（以下简称“金属蝶翅”）用于肿瘤标记物识别这一核心目标，按照金属蝶翅的制备与优化、肿瘤标记物的SERS识别、及临床肿瘤标记物检测三方面开展，待检物质依照单一纯物质——混合物质——实际体液的选择顺序由易到难逐步推进。通过研究阐明了相关机制，建立、优化了金属蝶翅的两种合成方法，实现了高效制备以生物体关键微纳结构为单元的阵列，为大面积获取三维微钠结构SERS器件奠定了基础；进而合理选取蝶翅鳞片构型为模板，研究了多种肿瘤标记物在金属蝶翅表面的结合与空间构象变化，利用肿瘤标记物抗原/抗体与适配体联合实现检测的稳定型与特异性，最终实现了肿瘤标记物的微量识别。相比美国Nanova公司出品的商业SERS基板Q-SERS，本方法的浓度识别下限低1-2个数量级。进而利用临床病人体液样品（血液、胸积液等）为待检物，实现了临床病人体液样品中癌症标记物的定量检出。通过本项目的实施，在国际上率先建立起面向肿瘤标记物识别的高性能金属蝶翅SERS基板的设计与制备路线，找到了在此基板上肿瘤标记物的特征识别方法，初步建立起金属蝶翅用于肿瘤标记物临床检测的技术途径，展示出基于三维微纳分级结构的SERS分析技术在肿瘤标记物检测方面的应用前景，对早期癌症的普查、癌症治疗疗效判断、病情发展监测和愈后估计等具有重要价值。