IVD前沿丨便携式唾液酸检测技术推进癌症检测的挑战、机会和前景

由于癌症在早期阶段通常没有症状，癌症筛查程序对于早期诊断和获得治疗至关重要。筛查乳腺癌的主要方法是乳房X光检查。然而，许多女性在进行乳腺癌筛查时遇到了障碍，如不公平的筛查机会和辐射暴露等。寻找侵入性较小的筛查方法可能是有利的。患有其他实体肿瘤的患者，如口腔癌，也可能遇到筛查障碍。并不是所有患者都接受定期检查以及与牙科护理相关的费用。唾液酸分析作为包括口腔癌和乳腺癌在内的各种癌症的非侵入性和早期诊断工具具有很大的前景。

杂志npj biosensing上发表了一篇题为“Advancing cancer detection with portable salivary sialic acid testing”的文章。文章介绍了唾液酸检测技术的最新研究，包括可穿戴传感器和小型化电化学传感器。还详细描述了便携式拉曼光谱检测设备，以及其挑战、机会和前景。作者指出大规模临床验证对于建立其可靠性至关重要。拥抱和推进便携式SA检测可以显著提高癌症筛查、早期发现和个性化治疗选择。

图片来源：npj biosensing

01 癌症生物标志物唾液酸

一些研究已经评估了唾液酸(SA)水平与乳腺癌之间的关系。这些研究发现，乳腺癌患者的SA水平是非癌症患者的两倍多，敏感性为80%，特异性为93%。

大多数唾液SA的研究发现唾液SA水平升高与口腔癌之间存在显著的正相关，平均唾液SA水平与癌症分期呈正相关，包括癌前肿瘤患者(57.5 mg/dL)与健康对照组(40.3 mg/dL)和口腔癌患者(80.4 mg/dL)的平均水平有显著差异。且唾液SA水平与口腔癌患者的化疗时间呈显著负相关。

02 唾液酸的定量方法

量化游离SAs的方法的共同点是SA首先通过使用酸性化合物从细胞表面释放。释放的SA随后用比色或用荧光分子进行检测和定量。拉曼光谱特别是SERS，提供了一种无标记、高灵敏度的唾液酸检测方法，提供样品的分子指纹。生物传感器通常涉及标记检测策略，使用唾液酸的特定受体或抗体。拉曼光谱在其最小的样品制备和快速分析能力方面表现出色，而生物传感器以其特异性和在复杂生物基质中定量的潜力而闻名。色谱方法，如高效液相色谱，可以应用于从干扰分子中分离标记的SAs。SA的释放也可以通过酶促消化触发；然而，这个过程缓慢而繁琐。

但最近发展的SA生物传感器方法都需要复杂的大型机器和在实验室环境中训练有素的人员，不适合筛选程序。因此，设计便携式设备，使其能够进行个人样本收集和处理，同时为专业人员提供结果解释极为重要。

03 新的便携式SA定量方法

上述SA定量方法均可设计成便携式设备。快速、特异和敏感的便携式设备定量方法包括表面增强拉曼光谱，优点在于样品制备步骤最小化。

唾液SA分析在癌症的诊断前检测方面具有巨大的潜力，但方法的复杂性可能会妨碍在日常临床分析中引入这种筛查。研究人员开发了一种基于磁性纳米颗粒修饰的光纤的SA传感器，其响应时间仅为几秒钟，明显快于金标准技术。另一种基于UiO-66-NH2金属有机骨架的毛细管传感器，已经显示出在微体积(15 μl)下快速、可靠地分析SA。这些令人兴奋的发展显示了将唾液SA检测转化为更便携的解决方案的巨大希望。

04 便携式拉曼光谱仪

便携式拉曼光谱仪特别适合SA分析，利用拉曼光谱在未经处理的唾液中精确检测SA方面取得了重大进展，特别是SERS，具有很大的潜力（如下图）。

然而，拉曼光谱主要用作定性分析方法时，因为唾液的成分因人而异，在定量解释结果时存在问题。为了纠正这些差异，必须在唾液样本中加入一种特定的内部参比物。此外，分析体积必须标准化，以获得可重复的结果。作者设想了一种收集病人唾液的装置。通过关闭设备，将唾液样本通过一个过滤器，微粒物质保留在一个规定体积的孔中。该孔含有干燥形式的内部标准物质，当与唾液样本接触时被溶解。

用于癌症检测的便携式拉曼光谱仪的说明。

图片来源：npj biosensing

05 便携式拉曼光谱仪的挑战

挑战一:仪器尺寸和内参的复杂性

传统SERS系统体积庞大复杂，因为需要复杂的激光源和光谱仪，不太适合便携式和护理点应用。进行SERS测量的另一个挑战来自于需要一种或多种内参，对于定量标准化是必不可少的。此外，样品制备方法在SERS应用中起着关键作用，简化和标准化样品制备方法，对于提高SERS测量的实用性和可重复性至关重要。

挑战二:敏感性和特异性

在癌症检测领域，便携式SERS装置的高灵敏度和特异性是至关重要的。为了应对这一挑战，先进的机器学习算法和数据分析技术已经可以用于开发基于拉曼光谱的癌症分类模型（如上图）。一种方法是利用深度学习方法，可以从拉曼光谱数据中提取复杂的模式和关系，从而有可能提高检测精度。另一个值得研究的途径是特征选择，识别并利用特定的相关特征来增强分类模型的判别能力。

挑战三:成本

手持式SERS系统的当前价格超过20,000美元。工程师和科学家需要找到创新的解决方案来简化制造过程，并在不影响系统性能的情况下利用具有成本效益的材料和分析软件。通过成功降低SERS系统的成本，可以显著提高其在临床环境中的应用。

挑战四:集成和应用

虽然基于SERS测试的科学优点是显而易见的，但采用新的诊断方法取代现有方法一直很困难，还需要利益相关者的投入、教育和培训、熟悉度和成本效益。确保涉众和用户理解SA测试的长期利益对于其采用是至关重要的。还需要国家癌症团体等组织的认可和医学界的倡导，加上商业上的可得性和成本效益，并与国家项目合作，如癌症筛查和预防范例，以促进实施。

06 便携式拉曼光谱仪的机遇

机会一:个性化医疗

提出的基于SERS的便携式癌症检测设备具有个性化癌症治疗的巨大潜力。将来可能会在唾液或其他体液中发现更多的癌症生物标志物。这些组合可以使癌症诊断更具精准，甚至可以区别癌症类型以及进行分级，成为手术指导工具。医疗专业人员可以根据个体患者的需求做出更明智、更精确的治疗决策(如下图)。

机会二:多路复用能力

具有多路复用功能的便携式SERS技术通过同时检测唾液中的多种生物标志物，例如与乳腺癌、口腔癌和卵巢癌相关的生物标志物，可以获得患者肿瘤的全面分子图谱，有助于早期发现和精确表征癌症，使肿瘤学家能够根据特定的癌症亚型定制个性化的治疗计划。

机会3:通过网络进行远程协作

便携式SERS设备促进了与专家之间远程协作的潜力。远程专家能够分析SERS光谱，并为诊断和治疗方案提供有价值的见解和建议。这种合作努力可以提高诊断的准确性，并确保患者得到最适当和量身定制的护理，无论其地理位置如何。

为了充分发挥便携式拉曼光谱在癌症检测中的潜力，显示了开展广泛的临床研究和验证试验的必要性。与临床研究人员的合作可以开展不同的人群和不同的种族不同癌症类型和分期的大型性能评估，确保在真实临床场景中的可靠性和有效性。

机会4:纵向监测

在较长时间内监测SA和潜在的其他生物标志物的同时检测的能力将改变了解疾病进展、治疗反应和潜在复发的游戏规则。唾液生物标志物监测的其他机会领域也可以整合到数字健康平台中。人工智能在SERS纵向监测中的整合，为识别和验证其他生物标志物开辟了新的途径。

便携式拉曼设备网络，使远程协作的癌症检测成为可能。

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07 前景

SERS技术，以及分子印迹聚合物和磁性纳米颗粒修饰的光纤的发展，显示了便携式和快速唾液SA检测的前景。以下是加强使用便携式唾液SA检测癌症的建议：

1.继续研究拉曼位移与口腔癌、卵巢癌和乳腺癌之间的关系。探讨唾液SA检测检测其他癌症类型的潜力。

2.利用机器学习为SA确定具体可靠的拉曼位移特征，以建立基于种族、民族和性别的不同癌症等级和阶段以及不同人群的诊断标准。

3.验证和比较用于便携式唾液SA分析的不同测量技术，如SERS技术、分子印迹聚合物和磁性纳米颗粒修饰的光纤。

4.提高对便携式唾液SA检测的认识和可及性。

5.开展大规模临床验证，以确定便携式检测的有效性。

6.开发便携式SERS设备，能够同时检测唾液中的多种生物标志物(除了唾液酸)，例如与不同癌症类型相关的生物标志物。多路复用可以提高诊断能力，简化筛选过程。

7.通过将便携式SERS设备集成到网络中，实现医疗保健提供者和专家之间的远程协作。

08 总结

唾液酸分析作为包括口腔癌和乳腺癌在内的各种癌症的非侵入性和早期诊断工具具有很大的前景。经典的基于实验室的方法在研究中取得了出色的成果，但由于设备的复杂性和昂贵性，将其转化为便携式护理点解决方案面临挑战。最新的SA分析研究，包括可穿戴传感器和小型化电化学传感器，需要用真实的癌症样本进一步验证。便携式拉曼光谱，特别是表面增强拉曼光谱，显示出显著的SA检测潜力。克服与设备尺寸、复杂性、成本相关的挑战，同时确保灵敏度和特异性至关重要。便携式SA测试为医疗保健提供者之间的个性化医疗、多路复用和远程协作提供了机会。大规模临床验证对于建立其可靠性至关重要。拥抱和推进便携式SA检测可以显著提高癌症筛查、早期发现和个性化治疗选择。