趙 彬 黎振華 宋世平 樊春海

納米生物傳感器在前列腺癌早期檢測中的應(yīng)用*

趙 彬 黎振華 宋世平 樊春海

樊春海 博士，研究員，現(xiàn)任物理生物學(xué)研究室和上海光源國家科學(xué)中心（籌）生物成像中心主任，南京大學(xué)生物化學(xué)學(xué)士（1996年）和博士（2000年）學(xué)位，之后在加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）從事博士后研究。2004年1月起任中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究員，2004年入選中國科學(xué)院百人計(jì)劃。2007年獲得國家杰出青年基金，2011年任科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃（納米）首席科學(xué)家。主要研究方向?yàn)樯飩鞲衅?、DNA納米技術(shù)與DNA計(jì)算和生物光子學(xué)。現(xiàn)任美國化學(xué)會ACS Applied Materials&Interfaces副主編，Scientific Reports（化學(xué)生物學(xué)部分）和Advanced Healthcare Materials、Particle等雜志編委，Advanced Materials客座編輯。已在Nature Nanotechnology，Nature Protocols，PNAS等雜志發(fā)表論文200余篇，論文引用8 000余次。

納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器的融合，其研究涉及納米技術(shù)、生物技術(shù)、微電子技術(shù)和分析技術(shù)等多個(gè)重要領(lǐng)域。近年來，隨著各種納米材料的不斷涌現(xiàn)和納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，納米生物傳感器在疾病診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出日益廣泛的應(yīng)用性。前列腺癌是當(dāng)前威脅全世界男性健康的主要惡性腫瘤之一，對低濃度的前列腺癌標(biāo)志物進(jìn)行高效檢測有利于前列腺癌的早期診斷、治療監(jiān)測及復(fù)發(fā)預(yù)測，具有重要的臨床意義。本文針對生物傳感器在前列腺癌標(biāo)志物檢測中的應(yīng)用，介紹近年來納米生物傳感技術(shù)在前列癌早期診斷中的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景。

納米生物傳感器 前列腺癌標(biāo)志物 檢測 早期診斷

前列腺癌是當(dāng)前威脅全世界男性健康的主要惡性腫瘤之一。在歐美國家，其發(fā)病率已連續(xù)多年居男性惡性腫瘤發(fā)病率首位，死亡率居第二位［1］。我國的前列腺癌發(fā)病率和死亡率雖低于歐美國家，但近年來呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。前列腺癌標(biāo)志物檢測對于前列腺癌的早期診斷和治療具有極為重要的意義。近年來由于前列腺癌標(biāo)志物研究的迅猛發(fā)展，使得前列腺癌的早期診斷率明顯提高。前列腺癌標(biāo)志物在前列腺癌普查、診斷、判斷預(yù)后和轉(zhuǎn)歸、評價(jià)治療療效和高危人群隨訪觀察等方面都具有重大的實(shí)用價(jià)值。

1 常見的前列腺癌腫瘤標(biāo)志物

前列腺特異性抗原（prostate-specific antigen，PSA）是目前診斷前列腺癌最敏感的指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于前列腺癌的早期診斷、監(jiān)測治療及預(yù)測復(fù)發(fā)。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，自從開展PSA篩查，美國前列腺癌死亡率下降了40%。PSA是由前列腺上皮細(xì)胞產(chǎn)生的一種大分子糖蛋白，分子量約為34 kD，具有極高的組織器官特異性。在血清中總PSA（t-PSA）主要有兩種存在形式：游離PSA（f-PSA）和與多種蛋白酶抑制劑結(jié)合的結(jié)合PSA（c-PSA）。cPSA有多種亞型，主要有PSA與α 1抗糜蛋白酶（ACT）的結(jié)合物（PSA-ACT）、與α2蛋白水解酶抑制劑的結(jié)合物（PSA-API）和與α2巨球蛋白的結(jié)合物（PSA-α2M）等，檢測PSA各種分子形式的濃度及其比值可以更有效地鑒別診斷前列腺癌和良性前列腺增生。最常用的是檢測f-PSA并且比較f-PSA/t-PSA的比值，可以更加有效地提高診斷灰色區(qū)（t-PSA濃度為4～10 ng/mL）的診斷真實(shí)性，降低誤診率。由于血清中PSA的濃度較低，特別是f-PSA濃度極低，因此對于PSA進(jìn)行高靈敏特異性檢測具有重要的臨床意義和實(shí)用價(jià)值。

前列腺特異性膜抗原（prostate-specific membrane antigen，PSMA）是一種新發(fā)現(xiàn)的前列腺癌相關(guān)的糖蛋白膜抗原。由于PSMA在前列腺癌細(xì)胞膜上特異性高表達(dá)，使其可能成為治療激素不敏感型前列腺癌抗體導(dǎo)向治療的新靶點(diǎn)，因此受到越來越多的關(guān)注。

微小核糖核酸（microRNA，miRNA）是一種具有調(diào)控功能的非編碼核糖核酸小分子，長度大約為20～25個(gè)堿基。研究發(fā)現(xiàn)miRNA在人體多種生理及病理過程中，特別是在癌癥的發(fā)生和發(fā)展中具有重要的作用，研究證實(shí)在前列腺癌細(xì)胞中都存在某些特定miRNA的表達(dá)升高或降低［2］。通過研究多種miRNA在前列腺組織中的表達(dá)情況，可以協(xié)助前列腺癌的病理診斷和臨床病理分級。因此，對前列腺癌相關(guān)miRNA進(jìn)行檢測并將其作為前列腺癌的生物學(xué)標(biāo)志對于前列腺癌的早期診斷、治療效果判定和預(yù)后評估具有很高的臨床價(jià)值。

2 前列腺癌標(biāo)志物檢測的納米傳感模式

前列腺癌的早期診斷和治療長期以來一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域試圖攻克的難題。納米生物傳感器的發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為建立有效的癌癥早期診斷和治療技術(shù)提供了新的契機(jī)［3］。納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器的融合，其研究涉及納米技術(shù)、生物技術(shù)、微電子技術(shù)和分析化學(xué)等多個(gè)重要領(lǐng)域。通過將納米技術(shù)與生物傳感技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建納米生物傳感器，可以大幅改善早期診斷的效果。

近年來隨著納米材料的不斷涌現(xiàn)和納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，納米生物傳感器已開始用于前列腺癌標(biāo)志物的檢測研究。根據(jù)納米材料在納米生物傳感器中所扮演的角色，可將前列腺癌標(biāo)志物檢測的納米傳感模式分為納米生物探針設(shè)計(jì)和納米界面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)兩大類（圖1）。納米生物探針設(shè)計(jì)通過將核酸分子和蛋白質(zhì)分子裝配在各種納米材料（如納米金、碳納米管、量子點(diǎn)和石墨烯等）表面，構(gòu)成多組分的復(fù)合納米生物探針。納米界面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)利用納米材料獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等物理和化學(xué)性質(zhì)將納米材料界面上的分子識別事件轉(zhuǎn)換為可測量的信號進(jìn)行輸出。

圖1 前列腺癌標(biāo)志物檢測中的納米生物傳感模式：納米生物探針設(shè)計(jì)和納米界面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)Figure 1 Nano-biosensor design for detecting prostate cancer biomarkers：nanoprobes and transducers

2.1 納米生物探針設(shè)計(jì)

2.1.1 納米金 納米金（gold nanoparticles，AuNPs）因其具有良好的生物相容性和穩(wěn)定可靠的偶聯(lián)化學(xué)等優(yōu)點(diǎn)一直以來受到人們廣泛的關(guān)注［4］。2003年Nam等［5］開發(fā)了一種基于納米金的生物條形碼檢測技術(shù)（bio-bar code assay，BCA）用于PSA的超靈敏檢測。該技術(shù)包含兩種探針：一種是修飾了PSA單克隆抗體的磁微粒探針，另一種是共組裝有條形碼DNA和PSA多克隆抗體的納米金探針。其檢測原理為：首先目標(biāo)蛋白分子被磁微粒探針上的單克隆抗體捕獲，隨后被納米金探針上的多克隆抗體特異性識別，從而形成由磁微粒、目標(biāo)蛋白和納米金探針三者組成的三明治夾心復(fù)合物。之后，復(fù)合物經(jīng)磁場分離，富集的納米金探針經(jīng)熱變性釋放出大量條形碼DNA。最后利用銀染增強(qiáng)納米金探針技術(shù)對條形碼DNA或其PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行檢測，從而達(dá)到間接檢測目標(biāo)蛋白PSA的目的。由于在每個(gè)目標(biāo)蛋白分子的結(jié)合過程中納米金探針上都組裝有大量的條形碼DNA，再加上進(jìn)一步的PCR信號放大過程，對PSA的檢測限可達(dá)到3 amoL。該方法的檢測靈敏度比常規(guī)的臨床檢測方法高出6個(gè)數(shù)量級。Stoeva等［6］將生物條形碼技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為可以實(shí)現(xiàn)包括PSA在內(nèi)的多元腫瘤標(biāo)志物檢測技術(shù)。2009年Thaxton等［7］利用生物條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對根治性前列腺切除術(shù)患者血清PSA水平的高靈敏檢測，并建立了其與前列腺癌復(fù)發(fā)的相關(guān)聯(lián)系，可有效地用于前列腺癌復(fù)發(fā)的預(yù)測和評估。

Yan等［8］通過將DNA滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)（rolling circle amplification，RCA）與納米金復(fù)合探針相結(jié)合，建立了一種基于納米金復(fù)合探針的的納米滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)（nano rolling cirlce amplification，NanoRCA）用于腫瘤標(biāo)志物的超高靈敏分析（圖2）。修飾有捕獲抗體的磁納米顆粒探針和共組裝有RCA擴(kuò)增引物及檢測抗體的納米金復(fù)合探針，在目標(biāo)蛋白的存在下通過抗原抗體特異性結(jié)合形成三明治夾心復(fù)合物。利用RCA反應(yīng)使生物素位點(diǎn)嵌入到RCA的產(chǎn)物中，通過親和素-生物素系統(tǒng)將信號分子-親和素修飾的辣根過氧化物酶（HRP）結(jié)合到RCA產(chǎn)物上，最終利用酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的比色信號實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)蛋白的定量分析。由于RCA具有極高的擴(kuò)增能力，使大量的信號分子負(fù)載到分析體系中，因此該方法具有超高的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)血清中30 aM的PSA分子的超高靈敏檢測。

圖2 基于納米金復(fù)合探針的的納米滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)原理圖Figure 2 Nano-RCA strategy based on gold nanoparticle probes for PSA detection

2.1.2 碳納米材料 碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維碳納米材料，具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)和大的比表面積。Yu等［9］發(fā)展了一種基于多壁碳納米管復(fù)合探針和單壁碳納米管森林的電化學(xué)免疫傳感器用于生物樣品中PSA的高靈敏檢測。通過將HRP信號分子和二抗共組裝到多壁碳納米管上制備多標(biāo)記的多壁碳納米管復(fù)合探針，大大提高了檢測靈敏度。該方法對于未稀釋牛血清樣品中PSA的檢測限為4 pg/mL，對于前列腺癌患者血清中PSA檢測具有較高的精確度。此外，該方法還可以對傳統(tǒng)免疫組織化學(xué)染色法無法區(qū)分的前列腺癌組織樣品中PSA含量進(jìn)行定量檢測。Wan等［10］將羊抗兔二抗和HRP共組裝的通用多標(biāo)記碳納米管探針與絲網(wǎng)印刷碳電極相結(jié)合，發(fā)展了一種新型的電化學(xué)免疫傳感器實(shí)現(xiàn)了對PSA和白細(xì)胞介素-8（IL-8）的二元檢測。Zhao等［11］利用RCA對多壁碳納米管進(jìn)行功能化，構(gòu)建了基于多壁碳納米管的滾環(huán)擴(kuò)增信號放大系統(tǒng)（CRCAS），并將其進(jìn)一步應(yīng)用于腫瘤標(biāo)志物的高靈敏高特異性檢測。CRCAS化學(xué)發(fā)光免疫分析法對于PSA的檢測限達(dá)到10 fg/mL。

石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維的碳納米材料，Yang等［12］建立了一種基于PSA抗體和HRP共組裝石墨烯納米片探針的免疫分析方法。利用石墨烯片層大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，可實(shí)現(xiàn)對PSA的高靈敏檢測，檢測限為1 pg/mL。該方法線性響應(yīng)范圍寬（0.02～10 ng/mL），具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.1.3 量子點(diǎn) 作為新型的熒光標(biāo)記物，量子點(diǎn)（quantum dots，QDs）具有寬激發(fā)窄發(fā)射、光穩(wěn)定性高、抗光漂白能力強(qiáng)和易于多元化等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的納米生物探針。Kerman等［13］開發(fā)了一種基于鏈霉親和素修飾的量子點(diǎn)探針的免疫傳感策略，在絲網(wǎng)印刷碳電極表面進(jìn)行免疫識別，利用熒光成像方法實(shí)現(xiàn)了對t-PSA的高靈敏檢測，檢測限為0.25 ng/mL。Yang等［14］利用均相溶液中量子點(diǎn)-聚合物復(fù)合物的外延自組裝制備了新型的條形碼納米珠，具有尺寸均一、發(fā)光效率高和抗光漂白等優(yōu)點(diǎn)。通過修飾鏈霉親和素，制得量子點(diǎn)納米珠探針，采用免疫夾心模式對PSA進(jìn)行檢測，在未經(jīng)優(yōu)化的條件下即可檢測亞納摩爾水平的PSA。Wegner等［15］開發(fā)了一種基于量子點(diǎn)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移免疫分析方法用于血清樣品中PSA的高靈敏檢測。該方法以抗體修飾的量子點(diǎn)探針作為受體，與抗體偶聯(lián)的鋱（Tb）作為供體，當(dāng)溶液中存在目標(biāo)蛋白時(shí)，量子點(diǎn)探針、目標(biāo)蛋白和抗體偶聯(lián)的Tb形成夾心復(fù)合物，量子點(diǎn)探針受體與Tb供體發(fā)生，50 μL血清樣品中PSA的檢測限為1.6 ng/mL。

2.2 納米界面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

2.2.1 場效應(yīng)晶體管 場效應(yīng)晶體管（field-effect transistor，F(xiàn)ET）簡稱場效應(yīng)管，是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流大小的一種半導(dǎo)體器件。近年來，以納米線和納米管等納米材料為傳感元件的FET生物傳感器具有無需標(biāo)記、實(shí)時(shí)檢測、高靈敏度和易于集成化微型化等優(yōu)點(diǎn)，受到人們越來越廣泛地關(guān)注。2005年Zheng等［16］開發(fā)了一種可尋址的硅納米線FET集成微陣列芯片（圖3）。該芯片通過將表面受體修飾到硅納米線上對目標(biāo)物進(jìn)行特異性識別，利用受體與目標(biāo)物的特異性結(jié)合所導(dǎo)致納米線電導(dǎo)系數(shù)的變化對目標(biāo)物進(jìn)行檢測。該方法可直接對未稀釋血清樣品中的PSA進(jìn)行高靈敏高特異性分析，最低可檢出0.9 pg/mL的PSA。此外，通過修飾不同的抗體受體到納米線陣列上，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多種目標(biāo)蛋白的高靈敏檢測。最近，Huang等［17］開發(fā)了一種多晶硅納米線場效應(yīng)晶體管生物傳感器。通過對血清樣品進(jìn)行脫鹽預(yù)處理以及采用鈍化試劑對硅納米線表面進(jìn)行表面修飾以降低非特異性吸附，大大提高了其檢測靈敏度，檢測限為5 fg/mL。同時(shí)，該傳感器還具有成本低易于制備等優(yōu)點(diǎn)。Kim等［18］報(bào)道了一種基于還原石墨烯氧化物FET生物傳感器用于PSA-ACT的高靈敏檢測。該方法動(dòng)態(tài)范圍寬（6個(gè)數(shù)量級），線性響應(yīng)良好，便于前列腺癌篩查。

圖3 硅納米線FET集成微陣列芯片用于PSA檢測Figure 3 Silicon-nanowire FET integrated array chip for PSA detection

2.2.2 微懸臂梁 微懸臂梁是一種納米機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置，可以將其表面分子間的相互作用轉(zhuǎn)換為機(jī)械形變或共振頻率改變，具有體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高和易于集成化等優(yōu)點(diǎn)。微懸臂梁已用于多種生物分析領(lǐng)域，包括DNA雜交、單堿基錯(cuò)配檢測和腫瘤標(biāo)志物檢測等。Wu等［19］最先報(bào)道了應(yīng)用于PSA檢測的微懸臂梁傳感技術(shù)。通過將PSA多抗共價(jià)修飾在微懸臂梁的一側(cè)對PSA進(jìn)行特異性識別和結(jié)合，使微懸臂梁發(fā)生彎曲，利用激光光學(xué)系統(tǒng)對彎曲產(chǎn)生的形變進(jìn)行檢測。該方法可以在很大范圍內(nèi)檢出fPSA的水平（0.2～60 ng/mL），具有較高的靈敏度。由于微懸臂梁一側(cè)抗原抗體分子特異性結(jié)合所導(dǎo)致的表面自由能的變化，該方法具有高度的特異性。此后Yue等［20］將該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為二維微懸臂梁微陣列芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對fPSA的高靈敏實(shí)時(shí)無標(biāo)記檢測。

2.2.3 等離子體納米傳感器 等離子體納米傳感器是一種基于金屬納米粒子的局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）效應(yīng)構(gòu)建的光學(xué)生物傳感器。作為一種新型光學(xué)傳感器，等離子體納米傳感器在疾病診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出日益廣泛的應(yīng)用性。Rodríguez-Lorenzo等［21］報(bào)道了一種基于酶反應(yīng)指導(dǎo)晶體生長的金屬等離子體納米傳感器在前列腺癌早期診斷中的應(yīng)用。利用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）催化生成的過氧化氫將金納米星周圍溶液中的銀離子還原為銀原子，通過控制GOx的濃度來控制銀離子的結(jié)晶速率。當(dāng)GOx的濃度較低時(shí)，銀離子的結(jié)晶速率較慢使得生成的銀原子在金納米星表面沉積，從而導(dǎo)致LSPR吸收峰產(chǎn)生較大的藍(lán)移；當(dāng)GOx的濃度較高時(shí)，銀離子的結(jié)晶速率較快，使銀原子更易于在溶液中獨(dú)立成核生長而較少的沉積到金納米星表面，從而產(chǎn)生較小的LSPR吸收峰藍(lán)移，即SPR吸收峰的位移與GOx的濃度成負(fù)相關(guān)。作者進(jìn)一步證實(shí)了該納米傳感器的在腫瘤標(biāo)志物檢測中的實(shí)用性和超靈敏性。通過將PSA抗體與GOx偶聯(lián)在一起作為標(biāo)記物，利用免疫反應(yīng)使修飾有PSA多克隆抗體的金納米星、PSA和PSA抗體-GOx標(biāo)記物結(jié)合在一起形成夾心復(fù)合物。通過對LSPR最大吸收峰位移進(jìn)行檢測可計(jì)算得到GOx的濃度，進(jìn)而計(jì)算出PSA的濃度。該傳感器對于全血清樣品中PSA的最低檢測限為10～18 g/mL（4×10～20 M），可實(shí)現(xiàn)極低濃度PSA的檢測，對前列腺癌早期診斷和術(shù)后復(fù)發(fā)診斷具有重要的臨床意義。

2.2.4 DNA納米技術(shù) DNA納米技術(shù)是指以DNA的理化特性為原理的納米技術(shù)，是近年來新興的前沿交叉領(lǐng)域。該技術(shù)充分利用DNA分子獨(dú)特的理化性質(zhì)和DNA復(fù)制的優(yōu)越性，可實(shí)現(xiàn)精確的從底向上的納米構(gòu)筑，主要用于分子組裝產(chǎn)生功能性組裝聚合物，已開始應(yīng)用于包括癌標(biāo)志物診治在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。Wen等［22］報(bào)道了一種基于DNA四面體納米結(jié)構(gòu)的界面工程化方法用于前列腺癌標(biāo)志物miRNA分析。通過將DNA四面體納米結(jié)構(gòu)固定在金基底上，以四面體結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)上延伸出來的一段DNA序列作為捕獲探針對目標(biāo)miRNA進(jìn)行捕獲，采用堿基堆積策略夾心構(gòu)型，將信號分子結(jié)合到DNA四面體納米結(jié)構(gòu)界面上，利用電化學(xué)方法進(jìn)行檢測。與傳統(tǒng)的一維（單鏈DNA）或二維DNA（如發(fā)夾結(jié)構(gòu)）探針相比，三維DNA四面體納米結(jié)構(gòu)具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可有效提高DNA捕獲探針在傳感界面分布的均一性。同時(shí)，利用未組裝捕獲探針的四面體可以精確調(diào)控DNA捕獲探針的密度，降低分子的表面擁擠效應(yīng)，從而顯著提高檢測的靈敏度和特異性。該方法成功實(shí)現(xiàn)了前列腺癌組織提取物中前列腺癌相關(guān)miRNA（let-7d）的高靈敏檢測。Wen等［23］開發(fā)了一種基于脫氧核酶的滾環(huán)擴(kuò)增DNA分子機(jī)器用于多種miRNA的超靈敏檢測。該方法的超高靈敏度得益于RCA技術(shù)、切刻酶信號放大技術(shù)和脫氧核酶信號放大技術(shù)三者的結(jié)合，可以對正常前列腺細(xì)胞和癌細(xì)胞中的痕量miRNA標(biāo)志物進(jìn)行有效地檢測鑒別。

3 小結(jié)

近年來，納米生物傳感器已快速發(fā)展成為前列腺癌標(biāo)志物檢測的有效手段之一，對于前列腺癌早期診斷技術(shù)的發(fā)展有著極大的促進(jìn)作用。構(gòu)建新型的納米生物傳感器對臨床樣本（全血、癌細(xì)胞和組織等）進(jìn)行直接高效的檢測成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。雖然各種新方法為前列腺癌的早期診斷及術(shù)后的監(jiān)測提供了重要的參考依據(jù)，但是仍需通過進(jìn)一步的長期隨機(jī)篩查研究來證實(shí)其在前列腺診斷中的實(shí)用性。此外，需加強(qiáng)對納米生物傳感技術(shù)的應(yīng)用研究，使其早日成為能真正運(yùn)用于醫(yī)療實(shí)踐和解決實(shí)際問題的成熟技術(shù)。

1 Siegel R,Naishadham D,Jemal A.Cancer statistics,2012[J].CA Cancer J Clin,2012,62(1)：10-29.

2 Porkka KP,Pfeiffer MJ,Waltering KK,et al.MicroRNA Expression Profiling in Prostate Cancer[J].Cancer Res,2007,67(13)：6130-6135.

3 Song S,Xu H,Fan CH.Potential diagnostic applications of biosensors：current and future directions[J].Int J Nanomed,2006,1(4)：433-440.

4 Lin M,Pei H,Yang F,et al.Applications of Gold Nanoparticles in the Detection and Identification of Infectious Diseases and Biothreats[J].Adv Mater,2013,25(25)：3490-3496.

5 Nam JM,Thaxton CS,Mirkin CA.Nanoparticle-Based Bio-Bar Codes for the Ultrasensitive Detection of Proteins[J].Science,2003,301(5641)：1884-1886.

6 Stoeva SI,Lee JS,Smith JE,et al.Multiplexed Detection of Protein Cancer Markers with Biobarcoded Nanoparticle Probes[J].J Am Chem Soc,2006,128(26)：8378-8379.

7 Thaxton CS,Elghanian R,Thomas AD,et al.Nanoparticle-based bio-barcode assay redefines"undetectable"PSA and biochemical recurrence after radical prostatectomy[J].Pro Natl Acad Sci U S A,2009,106(44)：18437-18442.

8 Yan J,Song SP,Li B,et al.An On-Nanoparticle Rolling-Circle Amplification Platform for Ultrasensitive Protein Detection in Biological Fluids[J].Small,2010,6(22)：2520-2525.

9 Yu X,Munge B,Patel V,et al.Carbon Nanotube Amplification Strategies for Highly Sensitive Immunodetection of Cancer Biomarkers[J].J Am Chem Soc,2006,128(34)：11199-11205.

10 Wan Y,Deng WP,Su Y,et al.Carbon nanotube-based ultrasensitive multiplexing electrochemical immunosensor for cancer biomarkers[J].Biosens Bioelectron,2011,30(1)：93-99.

11 Zhao B,Yan J,Wang D,et al.Carbon Nanotubes Multifunctionalized by Rolling Circle Amplification and Their Application for Highly Sensitive Detection of Cancer Markers[J].Small,2013,9(15)：2595-2601.

12 Yang M,Javadi A,Li H,et al.Ultrasensitive immunosensor for the detection of cancer biomarker based on graphene sheet[J].Biosens Bioelectron,2010,26(2)：560-565.

13 Kerman K,Endo T,Tsukamoto M,et al.Quantum dot-based immunosensor for the detection of prostate-specific antigen using fluorescence microscopy[J].Talanta,2007,71(4)：1494-1499.

14 Yang J,Dave SR,Gao X.Quantum Dot Nanobarcodes：Epitaxial Assembly of Nanoparticle-Polymer Complexes in Homogeneous Solution[J].J Am Chem Soc,2008,130(15)：5286-5292.

15 Wegner KD,Jin Z,Lindén S,et al.Quantum-Dot-Based F?rster Resonance Energy Transfer Immunoassay for Sensitive Clinical Diagnostics of Low-Volume Serum Samples[J].ACS Nano,2013,7(8)：7411-7419.

16 Zheng G,Patolsky F,Cui Y,et al.Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays[J].Nat Biotech,2005,23(10)：1294-1301.

17 Huang YW,Wu CS,Chuang CK,et al.Real-Time and Label-Free Detection of the Prostate-Specific Antigen in Human Serum by a Polycrystalline Silicon Nanowire Field-Effect Transistor Biosensor[J].Anal Chem,2013,85(16)：7912-7918.

18 Kim DJ,Sohn IY,Jung JH,et al.Reduced graphene oxide field-effect transistor for label-free femtomolar protein detection[J].Biosens Bioelectron,2013,41：621-626.

19 Wu G,Datar RH,Hansen KM,et al.Bioassay of prostate-specific antigen(PSA)using microcantilevers[J].Nat Biotech,2001,19(9)：856-860.

20 Yue M,Stachowiak JC,Lin H,et al.Label-Free Protein Recognition Two-Dimensional Array Using Nanomechanical Sensors[J].Nano Lett,2008,8(2)：520-524.

21 Rodríguez-Lorenzo L,de la Rica R,álvarez-Puebla RA,et al.Plasmonic nanosensors with inverse sensitivity by means of enzyme-guided crystal growth[J].Nature Mater,2012,11(7)：604-607.

22 Wen YL,Pei H,Shen Y,et al.DNA Nanostructure-based Interfacial engineering for PCR-free ultrasensitive electrochemical analysis of microRNA,2012[J].Sci Rep,2013,2：1-7.

23 Wen YQ,Xu Y,Mao XH,et al.DNAzyme-Based Rolling-Circle Amplification DNA Machine for Ultrasensitive Analysis of MicroRNA in Drosophila Larva[J].Anal Chem,2012,84(18)：7664-7669.

（2013-10-16收稿）（2013-11-04修回）

Nano-biosensors for detecting prostate cancer biomarkers

Bin ZHAO,Zhenhua LI,Shiping SONG,Chunhai FAN

Chunhai FAN;E-mail:fchh@sinap.ac.cn
Laboratory of Physical Biology,Shanghai Institute ofApplied Physics,ChineseAcademy of Sciences,Shanghai 201800,China.

Nano-biosensors have elicited considerable scientific interest in various research areas,including nanotechnology,biotechnology,microelectronics,and analytical techniques.The development of nanomaterials and nanotechnology has produced nano-biosensors with increasing potential applications in disease diagnosis.Prostate cancer is a malignant tumor that seriously threatens the health human males worldwide.Detecting the low-abundance biomarkers of prostate cancer is critical for its early diagnosis,treatment monitoring,and evaluation of its postsurgical recurrence.This review focuses on the research progress in nano-biosensing technology and its application in the detection of prostate cancer biomarkers.

nanobiosensor,prostate cancer biomarker,detection,early diagnosis

10.3969/j.issn.1000-8179.20131760

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（上海市201800）

*本文課題受科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（編號：2012CB932600）資助

樊春海 fchh@sinap.ac.cn

This work was supported by Ministry of Science and Technology,Major Scientific Research Program of China(No.2012CB932600).

（本文編輯：周曉穎）