Ein hoch

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 3299 (2022) Diesen Artikel zitieren

3520 Zugriffe

25 Zitate

3 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die Bewertung des Onkomarkerstatus der extrazellulären Domäne des humanen epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor-2 (HER2-ECD) ist ein beeindruckender Faktor bei der Früherkennung, Diagnose und Überwachung von Brustkrebs (BC). Es wurde ein elektrochemischer Aptamer-basierter Nanobiosensor mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität für die quantitative und qualitative Messung des HER2-ECD-Onkomarkers entwickelt. In dieser Studie umfasste das aus verschiedenen Materialien hergestellte Nanokomposit reduzierte Graphenoxid-Nanoblätter (rGONs) und Rhodium-Nanopartikel (Rh-NPs) auf der Oberfläche der Graphitelektrode (GE). Diese Struktur führte zu einer verstärkten elektrochemischen Aktivität, einer großen Oberfläche, Stabilität und Biokompatibilität. Jeder Schritt der Herstellung von Nanomaterialien und der Einrichtung des Biosensors wurde sorgfältig mit analytischen und elektrochemischen Techniken untersucht. Verschiedene modifizierte Elektroden wurden konstruiert und im Hinblick auf elektrochemische Leistung, Morphologie, Größe und Form von Nanomaterialien analysiert. Der GE-basierte Aptasensor erzielte bemerkenswerte und förderliche Ergebnisse gegen HER2-ECD mit einem breiten Dynamikbereich von 10,0–500,0 ng/ml und einer niedrigen Nachweisgrenze (LOD) von 0,667 ng/ml (deutlich weniger als der klinische Grenzwert). ) und eine untere Quantifizierungsgrenze (LOQ) von 2,01 ng/ml. Die Vorteile dieses Aptasensors wie breiter Dynamikbereich, hohe Empfindlichkeit, Selektivität, Stabilität, Reproduzierbarkeit und niedrige Kosten legen ein enormes Potenzial für die nicht-invasive Erkennung und Überwachung der HER2-ECD-Werte bei der BC-Versorgung und klinischen Diagnose nahe.

Heutzutage stellt das Auftreten von Krebserkrankungen eine große Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar1. Laut Statistiken aus dem Jahr 2021 hat BC mit einer Bevölkerung von 2,26 Millionen Menschen die höchste Anzahl an Krebspatienten weltweit2,3. BC ist eine komplexe Krankheit, die zu schwerwiegenden Veränderungen der Gene, Proteine ​​und Metaboliten führt4. Ohne eine gründliche Diagnose ist eine angemessene und rechtzeitige Behandlung nicht möglich. Sensible, selektive und schnelle diagnostische Testmethoden ebnen nicht nur den Weg für eine wirksamere Behandlung, sondern haben auch einen großen Einfluss auf die Prävention verschiedener Krebsarten, insbesondere BC5. Daher sind ein medizinisches Screening und die Früherkennung von BC durch quantitative Oncomarker-Messungen von wesentlicher Bedeutung für eine rechtzeitige Nachsorge, eine Verbesserung der Überlebensrate und eine Verringerung der Mortalität6. Zu den endgültigen Verfahren zur Diagnose primärer BC-Stadien gehören Mastographie, Biopsie, Ultraschallbildgebung und Magnetresonanztomographie (MRT). Darüber hinaus werden auf Genexpression und Quantifizierung basierende Techniken wie Immunhistochemie (IHC), Radioimmunoassay (RIA) und Enzymimmunoassay (EIA) zur Diagnose von BC bei Frauen eingesetzt7,8,9. Die meisten dieser Techniken weisen jedoch mehrere Einschränkungen auf, darunter hohe Komplexität, zu hohe Kosten und eine erhebliche Verringerung der Sensitivität und Spezifität10,11,12. Aus diesen Gründen haben Forscher der Entwicklung nicht-invasiver, kostengünstiger, empfindlicher und benutzerfreundlicher Diagnosetechnologien Priorität eingeräumt, um BC zu bestimmten Zeiten für eine wirksame Behandlung zu überwachen13. Infolgedessen liefern neuartige Analysetechniken wie Point-of-Care-Tests (POCT) für diese Krankheit in ihren frühen Stadien schnellere Ergebnisse am Ort der Pflege in einem ressourcenbeschränkten Umfeld und ermöglichen eine rechtzeitige und ordnungsgemäße Behandlung.

Elektrochemische Biosensoren werden aufgrund ihrer schnellen Reaktion, Benutzerfreundlichkeit, geringen Kosten und niedrigen Nachweisgrenze als vielversprechendes diagnostisches Instrument zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Onkomarkern eingesetzt. Bei der Herstellung neuer elektrochemischer Biosensoren ist es entscheidend, eine einwandfreie Elektrodenmatrix auszuwählen, um die elektrochemische Reaktion zu optimieren14,15,16,17. Es ist notwendig, die Onkomarker zu identifizieren, die zur Früherkennung, zum Wiederauftreten und zur Überwachung von BC-Metastasen verwendet werden. HER2-ECD ist einer dieser Onkomarker im Prozess der BC-Diagnose und -Behandlung durch HER2-zielgerichtete Therapie. Der primäre Mechanismus der Überexpression des HER2-ECD-Rezeptors ist die Verstärkung seines Onkogens auf Chromosom 17q12. Das Vorhandensein dieses Onkomarkers ist für das Wachstum und das Fortschreiten bestimmter aggressiver bösartiger Erkrankungen wie Lungen-, Eierstock-, Brust-, Magen- und Mundkrebs von entscheidender Bedeutung18. Die HER2-ECD-Konzentration im Blut gesunder Menschen und BC-Patienten liegt im Bereich von 4,0 bis 14 ng/ml bzw. 15 bis 75 ng/ml. die zur Diagnose und aktiven Überwachung von Risikopatienten oder in Behandlung eingesetzt werden können19. HER2-ECD mit überdurchschnittlich hohen Werten wird als HER2-positiv oder HER2+ bezeichnet. Personen, die im Rahmen der BC-Diagnostik als HER2+ identifiziert werden, werden in das Behandlungsprotokoll mit Herceptin aufgenommen. Herceptin ist ein monoklonaler Antikörper (Ab), der speziell entwickelt und zugelassen ist, um auf HER2-Rezeptoren auf der Oberfläche von BC-Zellen abzuzielen und diese daran zu hindern, Wachstumssignale zu empfangen20.

Die Hybridisierung von Kohlenstoff-Nanomaterialien mit Edelmetall-Nanopartikeln liefert fortschrittliche Biosensoren mit bevorzugten optischen, mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften21. rGONs besitzen eine große spezifische Oberfläche, eine hohe elektrische Leitfähigkeit (im Vergleich zu GONs), eine ausgezeichnete Biokompatibilität und zahlreiche chemisch aktive Stellen für die chemische Funktionalisierung und Katalyse. Aufgrund ihrer überlegenen physikalischen und chemischen Eigenschaften werden rGONs häufig in flexibler Elektronik, Batterien, Superkondensatoren, Sensoren usw. eingesetzt. Allerdings neigen rGONs aufgrund von Van-der-Waals-Kräften und Pi-Pi-Stapelwechselwirkungen dazu, sich zu agglomerieren oder neu zu stapeln. Stabilisatoren oder chemische Modifikatoren werden üblicherweise eingesetzt, um die Dispergierbarkeit von rGONs zu verbessern, diese Methoden verringern jedoch häufig ihre analytische Leistung. In jüngster Zeit wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Agglomeration von rGONs zu verhindern. Eine der neuen Strategien beinhaltet die Anordnung von Metallnanopartikeln (NPs) auf Graphen, um hybride Nanokomposite zu bilden22,23.

Rh-NPs haben sich aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, darunter eine große spezifische Oberfläche, ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, gute Biokompatibilität, hohe biomolekulare Adsorption und chemische Stabilität, als wünschenswerte und vielversprechende Strategie zur Dekoration von rGONs herausgestellt24. Diese Nanopartikel spielen eine entscheidende Rolle als selbstorganisierte, leitfähige und stabile Monoschichten auf der Oberfläche von Nanokompositen.

Verschiedene Nanomaterialien wurden untersucht, um elektrochemische Biosensoren zum Nachweis krebsartiger Tumormarker zu entwerfen und herzustellen, darunter mehrfach verzweigte Gold-Nanoschalen und mit Octreotid funktionalisierte Pt-Nanoflocken, modifizierte GCEs zum Nachweis von Somatostatinrezeptoren25 und Nanokomposite aus Kohlenstoffnanoröhren und Polyanilin, die auf der Kohlenstoffelektrode hergestellt wurden Nachweis des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF)26. Mit Einwegelektroden wie Graphitelektroden konstruierte Biosensoren bieten eine niedrige Nachweisgrenze, einen einfacheren Aufbau metallischer NPs, eine gute Reproduzierbarkeit, geringe Kontamination und eine ausgezeichnete Biokompatibilität mit Antikörpern und Aptameren27,28. Einige Arten von GEs, die zur Diagnose von Biosensoren verwendet werden, sind: Mit Gold-NPs modifiziertes GE zum Nachweis von SARS-CoV-229, mit Eisenoxid/Polypyrrol/Palladium-Nanokomposit modifiziertes GE zum Nachweis von Methotrexat und Folsäure30, durch Antikörper immobilisiertes GE zum Nachweis von P5331 , GE modifiziert durch Fulleren (C60) zum Nachweis der Tumorigenität 232 und GE modifiziert durch Fe3O4@ZIF-8 NPs zum Nachweis von Sumatriptan33.

Aptamere besitzen eine große Vielfalt an medizinischen Anwendungen in verschiedenen Bereichen, darunter therapeutische Lösungen, diagnostische Dienstleistungen und Biosensoren34. Ihre Erkennungseigenschaften werden nicht nur durch ihre spezifischen Sequenzen bestimmt, sondern auch durch ihre Fähigkeit, sich mit bestimmten Funktionen in unterschiedliche Formen zu falten. Diese herausragenden Eigenschaften machen die Aptamere zu guten Kandidaten für die Bioerkennungsmittel elektrochemischer Biosensoren35,36.

In dieser Studie nutzten wir eine elektrochemische Aptasensing-Plattform und verwendeten ein neuartiges und effizientes Verfahren zur Modifizierung der GE-Oberfläche mithilfe von rGONs und Rh-NPs, die mit Anti-HER2-Aptameren funktionalisiert waren, zum Nachweis und zur Quantifizierung des HER2-ECD-Onkomarkers. Nach unserem besten Wissen wurden Rh-NPs nicht für die Herstellung von Biosensoren verwendet, insbesondere nicht für die Diagnose von Krebs-Onkomarkern (Schema 1).

Schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens des Aptasensors zum Nachweis des HER2-ECD-Onkomarkers: (1) die Synthese von rGONs, (2) der Prozess der Bildung von Rh-NPs, (3) die Immobilisierung von Aptamersträngen und (4) die HER2- ECD-Erkennung mit dem vorgeschlagenen Aptasensor.

Wir haben rGONs auf dem GE durch eine umweltfreundliche elektrochemische In-situ-Methode synthetisiert. Um mehrere Schichten von GONs auf der GE-Oberfläche zu erzeugen, wurden elektrochemische Oxidation und Peeling in vier aufeinanderfolgenden Durchgängen in PBS (pH 6,5) bei anodischen Potentialen im Bereich von 0,0 bis + 3,0 V durchgeführt. Wie in den Kurven der zyklischen Voltammetrie (CV) in gezeigt Abb. 1a: Die elektrochemische Oxidation der Graphitstruktur erfolgte während des positiven Durchlaufs bei etwa + 1,4 V. Während des elektrochemischen Oxidationsprozesses nahmen die Van-der-Waals- und andere Kohäsionskräfte in der Mitte der Graphenschichten ab und die Schichten trennten sich und trennten sich voneinander Hilfe der Gasentwicklung. Daher kam es zu einer Interkalation und Ablösung von Graphit zu GONs. Es wurden interkalierende Verbindungen hergestellt, die ein vielfältiges Spektrum hydrophiler sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen (z. B. Hydroxyl, Epoxid, Carbonyl, Carbonsäure) umfassen, von denen sich die meisten an den Rändern der Basalebenen befinden37,38. CV-Scanning bei kathodischen Potentialen im Bereich von 0,0 bis –1,60 V für fünf aufeinanderfolgende Durchläufe in PBS (pH 6,9) wurde verwendet, um die GONs elektrochemisch zu rGONs zu reduzieren (Abb. 1b). Die Kurve im ersten zyklischen Voltammogramm der elektrochemischen Reduktion zeigt einen signifikanten und breiten kathodischen Spitzenstrom bei etwa –1,350 V. Dieser signifikante Peak ist höchstwahrscheinlich auf die Reduktion sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen auf der GONs-modifizierten GE-Oberfläche zurückzuführen. Diese Reduktion kann nicht mit der Reduktion von H2O-Molekülen zu Wasserstoff in Verbindung gebracht werden, da sie bei größeren negativen Potentialen auftritt. Im zweiten CV nimmt die Reduktionsstromspitze bei negativen Potentialen dramatisch ab und verschwindet nach dem zweiten Scan nahezu. Dieser Befund legt nahe, dass es zu einer signifikanten Abnahme der oberflächensauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen an GONs kommt und diese irreversibel und schnell in rGONs umgewandelt werden. Infolgedessen können die abgeblätterten GONs mithilfe eines elektrochemischen Ansatzes bei negativen Potentialen reduziert werden39,40. Dementsprechend gehörten die Anzahl der voltammetrischen Zyklen, die Abtastrate, der pH-Wert und die Temperatur des Grundelektrolyten zu den Eigenschaften, die bei der Umwandlung von Graphit in rGONs wirksam waren. Diese Technik war effizienter, wenn sie bei mittlerer Scanrate (50 mV/s) und mehreren voltammetrischen Zyklen durchgeführt wurde, um ausreichend Zeit für die Produktion von rGONs aus Graphit in zwei Schritten der elektrochemischen Oxidation und Reduktion zu schaffen. Bei einem leicht sauren pH-Wert (6,5) waren die Bedingungen für den Oxidationsprozess und die Bildung von GONs günstiger. Allerdings war es besser, während der Reduktion und Umwandlung von GONs in rGONs einen etwas höheren pH-Wert (6,9) zu haben, wodurch die funktionellen Gruppen einfacher und schneller reduziert und eliminiert werden. Die besten Ergebnisse erzielten diese Experimente bei Umgebungstemperatur (20 bis 24 °C).

(a) CV-Kurven der GONs-Synthese auf dem GE für vier aufeinanderfolgende Durchläufe in PBS (pH 6,5), (b) CV-Kurven der rGONs-Synthese auf dem GONs-modifizierten GE für fünf aufeinanderfolgende Durchläufe in PBS (pH 6,9). Scanrate: 50 mV/s.

Edelmetall-Nanopartikel (NMNPs) werden effizient hergestellt, indem das entsprechende Metallsalz in Wasser reduziert wird41,42. Rh-NPs wurden mittels elektrochemischer Reduktion synthetisiert. Bei diesem Verfahren wurden Rh-NPs unter optimalen Bedingungen auf der Oberfläche gezüchtet, indem die CV-Technik bei Potentialen zwischen 0,0 und –800,0 mV für vier aufeinanderfolgende Durchläufe angewendet wurde43. Infolgedessen wurde das rGONs-modifizierte GE mit Rh-NPs (Rh-NPs/rGONs/GE) geschmückt. Für die Synthese von NMNPs stellen die rGONs zahlreiche Keimbildungsstellen bereit. Folglich wurden verschiedene Verfahren zur Synthese von Graphen-Hybriden mit Edelmetallen wie Au, Ag, Rh, Pd und Pt entwickelt und für den Entwurf elektrochemischer Biosensoren, Katalyse, Brennstoffzellen usw. untersucht44. Die 2D-Struktur von Nanoschichten aus Graphen in diesen Hybrid-Nanokompositen bietet nicht nur einen perfekten Rahmen für die Verankerung der Metallnanostrukturen, sondern verbessert auch die elektrische Leitfähigkeit und den durch diese anhaftenden NPs freigesetzten Grenzflächenelektronentransport, wodurch die Nanopartikelaggregation begrenzt wird45.

Zur Analyse der so hergestellten Nanomaterialien wurden Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), EDS-Mapping und Fourier-Transformations-Infrarot-Totalreflexionsspektroskopie (FTIR-ATR) verwendet. Alle Ergebnisse zeigten, dass die Nanomaterialien erfolgreich synthetisiert wurden.

Die funktionellen Gruppen wurden mithilfe von FTIR-ATR-spektroskopischen Untersuchungen identifiziert. Die FTIR-ATR-Spektren von Graphit, GONs und rGONs sind in Abb. 2 dargestellt. Der charakteristische Peak bei 1460 cm−1 entspricht der C=C-Skelettschwingung der graphitischen Domäne. Mehrere Peaks im GON-Spektrum zeigen sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen. Die charakteristischen Peaks von O–H (3391 cm–1), C=O (1732 cm–1), C–O (1556 cm–1), C–OH (1317 cm–1) und C–O (1162). cm−1) sollen der Streckung der Hydroxylgruppe in Carbonsäure, Carboxylgruppe, Carbonsäure bzw. Carbonylgruppe zugeordnet werden. Das Vorhandensein von funktionellen Sauerstoffgruppen in den FTIR-ATR-Spektren von GONs weist darauf hin, dass der Flockengraphit zu GONs oxidiert wurde. Diese Peaks erscheinen nicht in den Graphitspektren und zeigen das Vorhandensein einer signifikanten Anzahl von hinzugefügten funktionellen Sauerstoffgruppen (–COOH und C=O in der Nähe der Blattkante, –OH- ​​und C–O-Gruppen im Epoxidharz auf den Grundebenen der GONs-Schicht). während des Oxidationsschritts. Nach der Reduzierung und Umwandlung von GONs in rGONs gibt es keinen erkennbaren Peak, was darauf hinweist, dass die rGONs vollständig reduziert sind. Funktionelle Kohlenstoff-Sauerstoff-Gruppen wie Carboxylgruppen verbleiben in der rGON-Struktur mit schwachen Peaks.

FTIR-ATR-Spektren von unmodifizierten, GONs-modifizierten und rGONs-modifizierten Graphitelektroden (GEs).

Abbildung 3a,b zeigt die FE-SEM-Bilder von Rh-NPs mit sphärischer Morphologie, die extrem in nanoskaligen Größen verteilt sind und rGONs auf der Oberfläche der Graphitelektrode bedecken. Die Elementzusammensetzung der Oberfläche von Rh-NPs/rGONs/GE wurde auch durch EDS-Kartierungsanalyse untersucht und zeigte, dass die modifizierte Elektrodenoberfläche mit Rh-NPs beschichtet ist (Abb. 3c). Das EDS-Profil von Kohlenstoff, Sauerstoff und Rhodium (Rh) bestätigt die erfolgreiche Bildung hochreiner Komponenten (Abb. 3d).

(a,b) FE-SEM-Bilder von Rh-NPs/rGONs/GE mit Nanometergröße, (c) EDS-Kartierungsanalyse des Rh-Elements auf der Oberfläche von rGONs-modifiziertem GE, (d) EDS-Elementaranalyse, erhalten aus Rh- NPs/rGONs/GE.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Differential-Puls-Voltammetrie (DPV) und CV sind wesentliche Techniken, die bei der Entwicklung von Biosensoren und der Bewertung ihrer Leistung eingesetzt werden46. Die Lebensläufe verschiedener modifizierter GEs sind in Abb. 4a dargestellt. Die elektrochemische Leistung der modifizierten GEs wird mit der des unmodifizierten GEs verglichen. Die CV-Technik wird umfassend zu explorativen Zwecken eingesetzt. Der Einsatz dieser Technik bei der Entwicklung von Biosensoren ist üblich, da die CV-Technik über wichtige Informationen wie die Art der in der Analyse vorhandenen Redoxprozesse und die Prozessreversibilität in Reaktionen verfügt47. Redox-Peaks im zyklischen Voltammogramm, die mit der Oxidation von Ferrocyanid-Ionen und der Reduktion von Ferricyanid-Ionen auf der GE-Oberfläche korrelieren, sind bei 0,26 bzw. 0,17 V zu sehen. Die Spitzenstromdichten für die Rh-NPs/rGONs/GE sind proportional höher als die der rGONs/Graphit und nackten GEs. Diese Verstärkung des elektrochemischen Signals könnte auf eine erhöhte Leitfähigkeit in Gegenwart von Rh-NPs und einen verstärkten diffusiven Massentransport des Anions [Fe(CN)6]4− zur Rh-NPs/rGONs/GEs-Oberfläche im Vergleich zu anderen unmodifizierten und modifizierte GEs. Alle elektrochemischen Charakterisierungen der Rh-NPs/rGONs/GEs wurden in PBS mit 5,0 mM Kaliumferri-/ferrocyanid (+ 0,1 M KCl) als Lösung einer standardmäßigen elektrochemischen Sonde durchgeführt.

(a) Zyklische Voltammogramme verschiedener unmodifizierter und modifizierter GE, (b) CV-Diagramme von Rh-NPs/rGONs/GE basierend auf verschiedenen Scanraten von 5, 15, 30, 50, 100, 150, 200 und 400 mVs−1, (c) Kalibrierungskurven der Redox-Spitzenstromdichten gegen die Quadratwurzel der Sweep-Rate basierend auf der zyklischen Voltammogramm-Charakterisierung von Rh-NPs/rGONs/GE, (d) DPV-Kurven verschiedener unmodifizierter und modifizierter GEs, (e) EIS Nyquist Diagramme verschiedener unmodifizierter und modifizierter GEs in PBS mit 5,0 mM Ferri-/Ferrocyanid (1:1)-Ionen-Redox als elektrochemische Sonde, (f) verschiedene Konzentrationen des Aptasensors gegenüber den Stromdichten, g) Inkubationsbindungszeit gegenüber den Stromdichten.

Abbildung 4b zeigt die Spitzenströme im zyklischen Voltammogramm für Redoxzustände in Gegenwart einer standardmäßigen elektrochemischen Sonde bei Abtastraten von 5,0 bis 400,0 mV/s. Wie in Abb. 4c zu sehen ist, besteht eine lineare Beziehung zwischen der Quadratwurzel der Abtastrate und dem Redox der Spitzenstromdichte. Wenn die Scanrate steigt, steigen die Spitzenstromdichten an der Anode und der Kathode gleichzeitig deutlich an, mit einem durchschnittlichen Korrelationskoeffizienten (R2) von 0,990, was darauf hinweist, dass die Redoxreaktion diffusionskontrolliert ist48.

Die Differenzpulsvoltammogramme von unmodifizierten und modifizierten GEs sind in Abb. 4d dargestellt. Nach der Modifizierung der Elektrode mit rGONs und Rh-NPs steigen die Spitzenstromdichten deutlich an. Elektrochemische Methoden, die auf Impulstechniken wie DPV basieren, sind aufgrund der möglichen Minimierung des interferenzkapazitiven Stroms empfindlicher als die linearen Sweep-Methoden. Die Pulstechniken werden meist zur quantitativen Bestimmung eingesetzt, da DPV aufgrund eines größeren Signal-Rausch-Verhältnisses eine deutlich niedrigere Nachweisgrenze als andere bekannte elektrochemische Techniken aufweist.

EIS ist eine empfindliche und präzise Technik zur Messung des elektrischen Widerstands, die im Allgemeinen zur Charakterisierung modifizierter Elektrodenoberflächen oder erheblicher Änderungen der Masseneigenschaften eingesetzt wird49. Die Elektronenübertragungseigenschaften zwischen Elektrolyt und Elektrodengrenzfläche wurden mithilfe von EIS in einer Lösung einer elektrochemischen Standardsonde überprüft. Der Ladungsübertragungswiderstand (Rct) steuert die Kinetik des Elektronentransfers der ionischen Kaliumferri-/Ferrocyanid-Redoxreaktion an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche. Wenn das GE durch rGONs und Rh-NPs (bezeichnet als Rh-NPs/rGONs/GE) modifiziert wird, zeigt es bei hohen Frequenzen einen Halbkreis, einschließlich eines kleinen Rct-Werts, der das Ergebnis eines schnellen Elektronentransfers ist50. Schließlich wurde unter den unterschiedlich konstruierten GEs mit verschiedenen Modifikationen Rh-NPs/rGONs/GE aufgrund seiner im Vergleich zu anderen hohen Leistung als optimale Plattform für Aptasensoren verwendet.

Die vorhergesagte Sekundärstruktur des aptameren Anti-HER2-Strangs zeigt, dass sich in seiner primären Stamm-Schleifen-Struktur doppelte Stammschleifen und eine Zufallssequenz befinden, die voraussichtlich an die bestimmte Stelle von HER2-ECD gebunden sind. Die Wandlerschicht ist äußerst wichtig für die Immobilisierung des Aptamerstrangs und die Stabilisierung des gebildeten G-Quadruplexes und beeinflusst die Empfindlichkeit und Selektivität des Aptasensors. Es scheint, dass Nanomaterialien aufgrund ihrer privilegierten Biokompatibilität sowie des extrem großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen ideale Plattformen für die Immobilisierung von Anti-HER2-Aptamersträngen sind51. Die Wechselwirkung zwischen HER2-ECD und dem aptameren Strang führt zur Öffnung des Anti-HER2-Haarnadel-Duplex und zur Bildung des Aptamer/HER2-ECD-Komplexes52. In dieser Studie wurde ein bemerkenswerter Rückgang der CV- und DPV-Spitzenstrommessungen im Aptasensor beobachtet. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Aptamere isolierende Verbindungen sind, deren Phosphatgruppen in ihrer Struktur in wässriger Lösung zu zahlreichen negativen Ladungen ionisiert werden, die aufgrund der intensiven elektrostatischen Abstoßung mit Ferri-/Ferro-Ionen die Übertragung von Elektronen auf der Oberfläche der Elektrode behindern. Cyanid-Ionen-Redox verfügbar in elektrochemischer Sonde53. Der Unterschied der elektrochemischen Stromdichte, der durch Änderung der Oncomarker-Konzentration im Vergleich zur BSA-Stabilisierung erhalten wurde, wurde als Messsystem verwendet und als Δj angezeigt. Anschließend wurde die Wirkung zweier wichtiger Parameter untersucht, nämlich der Konzentration des Anti-HER2-Aptamers und der Inkubationszeit für den HER2-ECD-Onkomarker. Zunächst wurden die MPA/Rh-NPs/rGONs/GEs, die bereits durch EDC/NHS aktiviert wurden, in verschiedene Konzentrationen von Anti-HER2-Aptamer (5, 15, 30, 50 und 100 nM) getaucht und in 5 % BSA getaucht Lösung und inkubiert mit 300 ng/ml HER2-ECD. Wie in Abb. 4f deutlich zu sehen ist, erhöht eine Erhöhung der Konzentration des Anti-HER2-Aptamers auf bis zu 50 nM die Stromdichte. Bei einer Aptamerkonzentration über 50 nM wird jedoch keine signifikante Änderung beobachtet, da die modifizierte Oberfläche der Elektrode vollständig mit Anti-HER2-Aptamer54 gesättigt ist. Dementsprechend wurde eine Konzentration von 50 nM Anti-HER2-Aptamer als optimale Konzentration gewählt. Zweitens wurde der Aptasensor in einer Konzentration von 300 ng/ml für 10, 20, 40, 60, 90 und 120 Minuten inkubiert, um die beste Inkubationszeit des HER2-ECD zu erreichen. Die Intensität der Stromdichte (j) stieg mit zunehmender Inkubationsbindungszeit an und blieb dann nach 40-minütiger Inkubation nahezu konstant, da die Oberfläche der Elektrode gesättigt war. Aus diesem Grund wurde die günstigste Inkubationszeit mit 40 Minuten ermittelt (Abb. 4g).

Da der ausgewählte Anti-HER2-Aptamer-Strang aus 54 Oligonukleotidbasen bestand (5′-(NH2-(CH2)6-GGG CCG TCG AAC ACG AGC ATG GTG CGT GGA CCT AGG ATG ACC TGA GTA CTG TCC)-3′) 51,55, war die Optimierung der empfindlichen Schicht zur Bindung des Aptamerstrangs an die Oberfläche des modifizierten GE und zur Immobilisierung des erzeugten G-Quadruplex von entscheidender Bedeutung. Aufgrund ihrer hohen Bioaffinität und intrinsischen Biokompatibilität könnten rGONs und Rh-NPs als Plattform für die Immobilisierung von Anti-HER2-Aptamersträngen verwendet werden, gefolgt von der HER2-ECD-Erkennung über die Bildung von G-Quadruplexen zwischen Aptamersträngen und dem HER2-ECD-Onkomarker . Infolgedessen wurde der auf BSA/Apt/MPA/Rh-NPs/rGONs/GE basierende Aptasensor eingesetzt, um jede Phase des Nachweisverfahrens verschiedener Onkomarker zu bewerten.

Der vorgeschlagene Aptasensor wurde auch zum Nachweis des HER2-ECD-Onkomarkers in verschiedenen Dosen eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde der HER2-ECD-Onkomarker in Konzentrationen von 0,010 bis 500,0 ng/ml getestet. Anschließend wurden die Interaktionsergebnisse mithilfe der DPV-Technik gemessen (Abb. 5a). Wie in Abb. 5b gezeigt, steigt die Stromdichte mit zunehmender HER2-ECD-Konzentration. Die elektrochemische Reaktion des Aptasensors auf HER2-ECD liegt im linearen Bereich von 10,0 bis 500,0 ng/ml. Die lineare Beziehung zwischen Δj und Log [CHER2-ECD] war: Δj (µA cm−2) = − 42,023 + 75,297 Log [CHER2-ECD] (ng/ml) und ein R2 von 0,9937, wobei [CHER2-ECD] ist die Konzentration von HER2-ECD. Der mit dieser Gleichung berechnete LOD und LOQ beträgt 0,665 ng/ml bzw. 2,01 ng/ml. Dieser Aptasensor bietet eine zufriedenstellende Leistung im Vergleich zu den derzeit in der Literatur beschriebenen HER2-ECD-Biosensoren (Tabelle 1). Die erhebliche Stabilität des Aptasensors kann auf die BSA/MPA/Rh-NPs/rGONs/GE und die starke kovalente Bindung des Anti-HER2-Aptamers an die modifizierte Elektrode über den MPA-Linker zurückgeführt werden. Daher zeigen die Ergebnisse eine gute Leistung des Aptasensors auch bei niedrigeren HER2-ECD-Onkomarker-Konzentrationen, die zur Überwachung kleiner Veränderungen der Onkomarker-Konzentration bei vielen Krebsarten im Primärstadium der Erkrankung eingesetzt werden können. Die Selektivität des elektrochemischen Aptasensors wurde auch unter Verwendung verschiedener Störstoffe wie karzinoembryonalem Antigen (CEA), prostataspezifischem Antigen (PSA) und menschlichem Serumalbumin (HSA) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass PSA und CEA eine leichte Änderung der Stromdichte aufweisen (Abb. 5c), während der HER2-ECD-Onkomarker eine signifikante Änderung aufweist. Zur Bewertung der Reproduzierbarkeit wurden vier Elektroden hergestellt (Abb. 5d). Diese Ergebnisse zeigen, dass der Aptasensor für den direkten Nachweis des HER2-ECD-Onkomarkers äußerst selektiv und stabil ist. Die Langzeitstabilität ist ein wichtiger Parameter in der klinischen Anwendung. Wie in Abb. 5e dargestellt, sind die Signaländerungen nach 14 Tagen minimal und dies weist darauf hin, dass der Aptasensor seine Erkennungsleistung und Stabilität im Vergleich zum ersten Tag mit einer relativen Standardabweichung (RSD) von 4,3 % beibehalten hat. Daher weist der entwickelte Aptasensor ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Effizienz auf.

(a) DPV-Reaktionen des Aptasensors mit unterschiedlichen Konzentrationen von HER2-ECD (0,01, 0,1, 1, 10, 15, 30, 50, 100, 200, 500 ng/ml); (b) Abhängigkeit der Stromdichte von Änderungen der HER2-ECD-Konzentration (Einschub: der lineare Teil der Kalibrierungskurve); (c) Selektivität des Aptasensors in Kontakt mit 100 ng/ml HER2-ECD-, CEA-, PSA- und HSA-Onkomarkern; (d) Reproduzierbarkeit des Aptasensors zum Nachweis von 100 ng/ml HER2-ECD mit 4 separaten Elektroden; (e) Stabilität des Aptasensors zum Nachweis von 300 ng/ml HER2-ECD innerhalb von 14 Tagen. Jede Messung wurde mindestens viermal wiederholt.

Die praktische Anwendbarkeit des vorgestellten Aptasensors wurde durch elektrochemische Analysen von in Patientenserumproben vorhandenen Onkomarkern überprüft und bestätigt. Der Aptasensor wurde zum Nachweis und zur Quantifizierung von HER2-ECD in Serumproben von fünf Patienten eingesetzt. Die Ergebnisse (Tabelle 2) stimmten mit kommerziell erhältlichen ELISA-Kits überein. Daraus lässt sich schließen, dass der vorgeschlagene Aptasensor zuverlässig und empfindlich genug für die klinische Anwendung ist.

Zusammenfassend wurde ein neuartiger und gut organisierter Aptasensor zur Erkennung und Bestimmung des HER2-ECD-Onkomarkers konstruiert. Der kollaborative Effekt von rGONs und Rh-NPs kann das elektrochemische Signal und die Empfindlichkeit steigern, indem die Leitfähigkeit und die spezifische Oberfläche erhöht werden. Darüber hinaus erhöhte sich die Stabilität des gebildeten G-Quadruplexes durch starke kovalente Wechselwirkungen zwischen dem Aptamerstrang und dem Oncomarker. Dementsprechend wurde ein niedriger LOD-Wert von 0,667 ng/ml erhalten. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigten die erfolgreiche Leistung des konstruierten Aptasensors. Dieser vielversprechende elektrochemische Aptasensor könnte sinnvoll als Plattform für die Diagnose und Überwachung einer Vielzahl von Onkomarkern bei verschiedenen Krebsarten eingesetzt werden.

Der Bleistiftgraphit Typ HB mit einem Durchmesser von 2,0 mm wurde von Rotring Co. Ltd., Deutschland, bezogen. 3-Mercaptopropionsäure (MPA), N-Hydroxysuccinimid (NHS), Rinderserumalbumin (BSA), Humanserumalbumin (HSA), 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimidhydrochlorid (EDC), Rhodium(III)chlorid (RhCl3, 98 %) und das HER2-ELISA-Assay-Kit (für Serum, Plasma, Urin usw.) wurden von Sigma-Aldrich, USA, bezogen. Kaliumferricyanid (k3Fe(CN)6) und Kaliumferrocyanid (K4Fe(CN)6) wurden von Merck, Deutschland, bezogen. Das Anti-HER2-Aptamer bindet spezifisch an den HER2-ECD-Onkomarker und wurde von Bio Basic Inc, Kanada, bezogen. Die Sequenz des Amin-terminierten HER2-DNA-Aptamers (Apt) besteht aus 54-mer-Oligonukleotidbasen und ist 5′-(NH2-(CH2)6-GGG CCG TCG AAC ACG AGC ATG GTG CGT GGA CCT AGG ATG ACC TGA GTA CTG TCC) -3'. Diese Anti-HER2-DNA-Aptamersequenz wurde durch serielle Evolution von Liganden in vitro durch exponentielle Anreicherung (SELEX) ausgewählt51,55. Der rekombinante humane HER2/ErBb2/CD340-Onkomarker wurde von Sigma-Aldrich, USA, bezogen. Schwefelsäure (H2SO4 98 %), Salzsäure (HCl 37 %) und Ethanol (99,8 %) wurden von Merck, Deutschland, bezogen. Andere Reagenzien in Analysequalität wurden mit höchster Reinheit erhalten und alle erforderlichen Lösungen wurden aus doppelt destilliertem Wasser hergestellt.

Alle elektrochemischen Messungen einschließlich CV, DPV und EIS wurden mit einem Potentiostat-Galvanostat Palmsense BV PGSTAT mit einer Konformitätsspannung von 30 V (Echo Chemie, Niederlande) und einer üblichen Drei-Elektroden-Zellenanordnung durchgeführt. Als Arbeitselektrode wurde Graphit in verschiedenen Modifikationen eingesetzt. Die gewünschte Potentialamplitude wurde gegen Ag/AgCl in einer Lösung mit gesättigtem KCl gemessen, die als Referenzelektrode diente. Als Gegenelektrode diente eine Platindrahtelektrode. Für jedes Experiment wurde eine frisch polierte und präparierte Elektrode verwendet. Die Messungen wurden genau nach dem Anbringen der drei Elektroden und dem Eintauchen in die Sondenlösung durchgeführt. Alle elektrochemischen Experimente wurden in PBS (0,1 M, pH 7,4) mit 5,0 mM K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6] (Verhältnis 1:1) und 0,1 M KCl als Ionen-Redox-Sonde durchgeführt Paar. Das ionische Redoxpaar Ferri-/Ferrocyanid in gepufferten Medien wird häufig als Standardsonde in elektrochemischen Studien eingesetzt. Der ionische Redoxprozess [Fe(CN)6]3−/4− beinhaltet einen Einzelelektronentransfer und weist quasi-reversible kinetische Eigenschaften unter der Bedingung auf, dass der Elektronentransfer in einem vollständigen Zyklus weniger widerstandsfähig ist63.

CV-Kurven wurden mit einer Scanrate von 50 mV/s und innerhalb von –0,2 bis +0,6 V vs. Ag/AgCl aufgezeichnet. DPV wurde zwischen –0,2 und +0,6 V, mit einer Amplitude von 50 mV und einer Impulsbreite von 0,2 s gemessen. EIS-Messungen wurden im Frequenzbereich von 0,01 bis 50 kHz mit einem Gleichpotential von 0,22 V als Vorspannung und einer Amplitude von 5,0 mV durchgeführt.

Wir verwendeten einen einfachen, effizienten und neuartigen elektrochemischen In-situ-Redox-Ansatz, um rGONs-modifizierte GEs direkt herzustellen. Kurz gesagt, wurde eine zyklische Voltammetrie (CV) erreicht, bei der das Potential von 0,0 bis +3,0 V durch eine Reihe von vier aufeinanderfolgenden Durchläufen in PBS (pH 6,5) abgetastet wurde, um GONs mit wenigen Schichten auf der Oberfläche der Elektrode zu bilden. Später wurden CV-Sweeps von 0,0 bis –1,60 V in PBS (pH 6,9) zur elektrochemischen Reduktion abgeblätterter GONs in fünf aufeinanderfolgenden Zyklen durchgeführt, um rGONs-GE39,64,65 zu erhalten.

Rh-NPs wurden elektrochemisch unter Verwendung einer Elektrolytlösung synthetisiert, die 0,01 M RhCl3 und 0,01 M KCl enthielt. Die CV-Technik wurde im Potentialbereich von 0,0 bis –800,0 mV für vier aufeinanderfolgende Durchläufe eingesetzt. Die Elektrolytlösung wurde in bidestilliertem Wasser auf ein Endvolumen von 10 ml aufgefüllt. Die kathodische Reduktion von Rhodiumionen bei Raumtemperatur erfolgt wie folgt:

Um die im Aptasensor verwendete Elektrode vorzubereiten, wurde das Rh-NPs/rGONs-modifizierte GE in 20 mM MPA-Lösung gelöst in Ethanol/Wasser (3:1 V/V) bei pH 6,8 unter Schütteln (75 U/min) bei Raumtemperatur suspendiert für 18 Std. Daher wurden MPA/Rh-NPs/rGONs/GE mit doppelt destilliertem Wasser gespült. Die optimale Konzentration des MPA wurde als Linker verwendet, um die modifizierte Elektrode an das Bioerkennungsmittel (Anti-HER2-Aptamer) zu binden. Das Carboxyl-funktionalisierte MPA kann die Bindung von Amino-funktionalisierten Aptamersträngen verstärken und die elektrochemische Aktivität des Aptasensors steigern66. Die MPA/Rh-NPs/rGONs/GE wurden in PBS mit 0,05 M NHS und 0,20 M EDC 1 Stunde lang bei 8 °C inkubiert, um ihre Oberfläche zu aktivieren. Zur kovalenten Konjugation der aktivierten Oberfläche mit der Amingruppe (-NH2) des funktionalisierten Anti-HER2-Aptamers wurde die modifizierte Elektrode 1 Stunde lang bei Raumtemperatur in PBS-Puffer mit 50 nM Anti-HER2-Aptamer getaucht, um eine Amidbindung zu bilden. Darüber hinaus wurden Apt/MPA/Rh-NPs/rGONs/GE 5 Minuten lang in eine BSA-Lösung mit einer Konzentration von 5 % bei einer Temperatur von 37 °C unter einer Atmosphäre von 5 % CO2 und einer Luftfeuchtigkeit von 95 % eingetaucht, um die aktivierten funktionellen Carboxylgruppen zu blockieren die Oberfläche einer modifizierten Elektrode, die nicht mit den funktionellen Aminogruppen des Anti-HER2-Aptamers verbunden ist. Das funktionalisierte GE wurde mehrmals mit PBS gespült. Schließlich wurde der konstruierte Aptasensor zur Erkennung verschiedener Onkomarker eingesetzt.

8,0 g NaCl, 200 mg KCl, 1,44 g Na2HPO4 und 245 mg KH2PO4 wurden kombiniert, um eine 1,0 l phosphatgepufferte Lösung (PBS, 0,1 M, pH 7,4) herzustellen. In der oben genannten PBS wurde eine Stammlösung aus Aptamer (100 M), HER2-ECD, CEA, PSA und HSA hergestellt und bei 4 °C gehalten. Zusätzlich wurde die Lösung mit PBS verdünnt, um die entsprechende Konzentration zu erreichen. Für die Echtzeitanalyse wurde das Humanserum mit 0,01 M PBS-Lösung (pH 7,4) 20-fach verdünnt. Außerdem wurde für die Synthese von rGONs der pH-Wert des 0,1 M PBS durch 0,01 M HCl angepasst.

Zahra, QUA, Khan, QA & Luo, Z. Fortschritte bei optischen Aptasensoren zur Früherkennung und Diagnose verschiedener Krebsarten. Vorderseite. Oncol. 11, 632165–632165 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sung, H. et al. Globale Krebsstatistik 2020: GLOBOCAN-Schätzungen der Inzidenz und Mortalität weltweit für 36 Krebsarten in 185 Ländern. CA: Cancer J. Clin. 71, 209–249 (2021).

Google Scholar

Ferlay, J. et al. Krebsstatistik für das Jahr 2020: Ein Überblick. Int. J. Krebs 149, 778–789 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

DeBerardinis, RJ & Chandel, NS Grundlagen des Krebsstoffwechsels. Wissenschaft. Adv. 2, e1600200 (2016).

Artikel PubMed PubMed Central ADS Google Scholar

Shen, H. et al. Ultraempfindlicher Aptasensor zur Isolierung und Erkennung zirkulierender Tumorzellen basierend auf CeO2@ Ir-Nanostäben und DNA-Walker. Biosens. Bioelektron. 168, 112516 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ginsburg, O. et al. Früherkennung von Brustkrebs: Ein schrittweiser Ansatz zur Umsetzung. Krebs 126, 2379–2393 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Vajhadin, F. et al. Elektrochemische Zytosensoren zur Erkennung von Brustkrebszellen. Biosens. Bioelektron. 151, 111984 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Prabhakar, B., Shende, P. & Augustine, S. Aktuelle Trends und neue Diagnosetechniken für Lungenkrebs. Biomed. Pharmakotherapeut. 106, 1586–1599 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Altintas, Z. & Tothill, I. Biomarker und Biosensoren für die Frühdiagnose von Lungenkrebs. Sens. Aktoren B Chem. 188, 988–998 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Mittal, S., Kaur, H., Gautam, N. & Mantha, AK Biosensoren für die Brustkrebsdiagnose: Eine Übersicht über Biorezeptoren, Biotransducer und Signalverstärkungsstrategien. Biosens. Bioelektron. 88, 217–231 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Marques, RC, Viswanathan, S., Nouws, HP, Delerue-Matos, C. & González-García, MB Elektrochemischer Immunsensor zur Analyse des Brustkrebs-Biomarkers HER2 ECD. Talanta 129, 594–599 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cui, F., Zhou, Z. & Zhou, HS Messung und Analyse von Krebsbiomarkern basierend auf elektrochemischen Biosensoren. J. Elektrochem. Soc. 167, 037525 (2019).

Artikel Google Scholar

Cordaro, A., Neri, G., Sciortino, MT, Scala, A. & Piperno, A. Graphenbasierte Strategien in der Flüssigbiopsie und bei der Diagnose von Viruserkrankungen. Nanomaterialien 10, 1014 (2020).

Artikel CAS PubMed Central Google Scholar

Khan, M., Hasan, M., Hossain, S., Ahommed, M. & Daizy, M. Ultraempfindlicher Nachweis pathogener Viren mit elektrochemischem Biosensor: Stand der Technik. Biosens. Bioelektron. 166, 112431 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, L.-C. et al. Verbesserung der Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und Stabilität einer elektrochemischen Biosensorplattform für den Point-of-Care-Einsatz. Biosens. Bioelektron. 155, 112111 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, S., Yang, Z., Chang, Y., Chai, Y. & Yuan, R. Ein enzymfreier elektrochemischer Biosensor, der Target-Recycling mit Fe3O4/CeO2@ Au-Nanokatalysatoren für den microRNA-21-Nachweis kombiniert. Biosens. Bioelektron. 119, 170–175 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Choi, H. et al. Elektrochemischer Immunoassay zur Bestimmung von glykiertem Albumin mithilfe von Nanozymen. Wissenschaft. Rep. 10, 1–12 (2020).

Google Scholar

Burstein, HJ Die Besonderheit von HER2-positivem Brustkrebs. N. engl. J. Med. 353, 1652–1654 (2005).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Arya, SK et al. Kapazitiver Aptasensor auf Basis einer ineinandergreifenden Elektrode zur Brustkrebserkennung in unverdünntem Humanserum. Biosens. Bioelektron. 102, 106–112 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Elamir, A. et al. Ultraschallgesteuerte Herceptin-Liposomen zur Brustkrebstherapie. Wissenschaft. Rep. 11, 1–13 (2021).

Artikel Google Scholar

Hameed, S. & Bhattarai, P. Neuartige Nanomaterialien für die Biosensorentwicklung. In Nanobiosensors: From Design to Applications (Hrsg. Wu, A. & Khan, WS) 45–72 (Wiley, 2020).

Kapitel Google Scholar

Lan, Q. et al. Mit Platin-Nanopartikeln dekorierte Graphenoxid-Polystyrol-Nanokugeln für die markierungsfreie elektrochemische Immunerkennung von Tumormarkern. ACS Sustain. Chem. Ing. 8, 4392–4399 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, Y., Huang, H., Yang, C. & He, H. Ultrafeine Rh-dekorierte 3D-poröse, mit Bor und Stickstoff doppelt dotierte Graphenarchitektur als effizienter Elektrokatalysator für die Methanoloxidationsreaktion. ACS-Appl. Energie Mater. 4, 376–383 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Karakulina, A., Gopakumar, A., Fei, Z. & Dyson, PJ Chemoselektive Reduktion von Heteroarenen mit einem reduzierten Rhodium-Nanopartikel-Katalysator auf Graphenoxid-Träger. Katal. Wissenschaft. Technol. 8, 5091–5097 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Cong, C. et al. Empfindliche Messung von Tumormarkern, Somatostatinrezeptoren, mithilfe eines durch Octreotid gesteuerten, durch Pt-Nanoflocken angetriebenen elektrochemischen Sensors. Talanta 208, 120286 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Park, Y., Hong, M.-S., Lee, W.-H., Kim, J.-G. & Kim, K. Hochempfindlicher elektrochemischer Aptasensor zum Nachweis des VEGF165-Tumormarkers mit PANI/CNT-Nanokompositen. Biosensoren 11, 114 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cunha-Silva, H. & Arcos-Martinez, MJ Ein mit Rhodium-Nanopartikeln modifizierter Einweg-Siebdrucksensor zur direkten Bestimmung von Bromidanionen. Sens. Aktoren B Chem. 282, 603–608 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Torres-Rivero, K., Florido, A. & Bastos-Arrieta, J. Aktuelle Trends bei der Verbesserung der elektrochemischen Reaktion von Siebdruckelektroden durch ihre Modifikation mit geformten Metallnanopartikeln. Sensoren 21, 2596 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central ADS Google Scholar

de Lima, LF, Ferreira, AL, Torres, MD, de Araujo, WR & de la Fuente-Nunez, C. Nachweis von SARS-CoV-2 im Minutenmaßstab mithilfe eines kostengünstigen Biosensors aus Bleistiftgraphitelektroden. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. 118, e2106724118 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Tajik, S., Beitollahi, H., Shahsavari, S. & Nejad, FG Gleichzeitige und selektive elektrochemische Erfassung von Methotrexat und Folsäure in biologischen Flüssigkeiten und pharmazeutischen Proben mithilfe einer Fe3O4/ppy/Pd-Nanokomposit-modifizierten siebgedruckten Graphitelektrode. Chemosphere 291, 132736 (2021).

Artikel PubMed ADS Google Scholar

Nohwal, B., Chaudhary, R. & Pundir, C. Amperometrischer Nachweis des Tumorsuppressorproteins p53 mittels Bleistiftgraphitelektrode für eine schnelle Krebsdiagnose. Anal. Biochem. 639, 114528 (2021).

PubMed Google Scholar

Demirbakan, B. & Sezgintürk, MK Ein impedimetrisches Biosensorsystem basierend auf Einweg-Graphitpapierelektroden: Nachweis von ST2 als potenzieller Biomarker für Herz-Kreislauf-Erkrankungen im menschlichen Serum. Anal. Chim. Acta 1144, 43–52 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tajik, S., Shahsavari, M., Sheikhshoaie, I., Garkani Nejad, F. & Beitollahi, H. Voltammetrischer Nachweis von Sumatriptan in Gegenwart von Naproxen unter Verwendung einer mit Fe3O4@ ZIF-8-Nanopartikeln modifizierten siebgedruckten Graphitelektrode. Wissenschaft. Rep. 11, 1–12 (2021).

Artikel Google Scholar

Figueroa-Miranda, G. et al. Aptamer-basierter elektrochemischer Biosensor zur hochempfindlichen und selektiven Malariaerkennung mit einstellbarem dynamischem Reaktionsbereich und Wiederverwendbarkeit. Sens. Aktoren B Chem. 255, 235–243 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, C., Offenhäusser, A. & Mayer, D. Ein hochempfindlicher amperometrischer Aptamer-Biosensor für die Adenosintriphosphat-Detektion auf einem 64-Kanal-Gold-Multielektroden-Array. Physik. Status Solidi (a) 217, 1900925 (2020).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Chen, Y., Xiang, J., Liu, B., Chen, Z. & Zuo, X. Mit Goldnanopartikeln hergestellter elektrochemischer Aptamer-Biosensor für den ultraempfindlichen Nachweis von Thrombin. Anal. Methoden 12, 3729–3733 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, F. et al. Synthese von Graphenmaterialien durch elektrochemisches Peeling: Aktuelle Fortschritte und zukünftiges Potenzial. Carbon Energy 1, 173–199 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Yu, W., Sisi, L., Haiyan, Y. & Jie, L. Fortschritte bei der funktionellen Modifikation von Graphen/Graphenoxid: Eine Übersicht. RSC Adv. 10, 15328–15345 (2020).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Rabieh, S., Koushanpour, A. & Tajabadi, F. Grüne und einfache Modifikation der Graphitelektrode durch In-situ-Synthese von Graphen-Nanoblättern zur Quantifizierung von Prazosinhydrochlorid in Urinproben und pharmazeutischen Formulierungen. Electroanalysis 27, 2377–2386 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Xia, L. et al. Cr2O3-Nanopartikel-reduzierter Graphenoxid-Hybrid: Ein hochaktiver Elektrokatalysator für die N2-Reduktion bei Umgebungsbedingungen. Inorg. Chem. 58, 2257–2260 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Habibullah, G., Viktorova, J. & Ruml, T. Aktuelle Strategien für die Synthese von Edelmetall-Nanopartikeln. Nanoskalige Res. Lette. 16, 1–12 (2021).

Artikel Google Scholar

de Oliveira, PF, Torresi, RM, Emmerling, F. & Camargo, PH Herausforderungen und Chancen bei der Bottom-up-mechanochemischen Synthese von Edelmetall-Nanopartikeln. J. Mater. Chem. A 8, 16114–16141 (2020).

Artikel Google Scholar

Mousavi, F., Shamsipur, M., Taherpour, AA & Pashabadi, A. Ein Rhodium-dekoriertes Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kathodenmaterial in der farbstoffsensibilisierten Solarzelle: Umwandlungseffizienz von 11 % erreicht. Elektrochim. Acta 308, 373–383 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zou, CE et al. Elektrochemische Synthese von mit Goldnanopartikeln dekoriertem blütenähnlichem Graphen für den hochempfindlichen Nachweis von Nitrit. J. Colloid Interface Sci. 488, 135–141 (2017).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Samantara, AK, Tripathy, RK & Behera, J. Hybrid-Nanokomposite auf Basis von Graphen- und Gold-Nanopartikeln: Von der Vorbereitung bis zur Anwendung. In Graphene and Nanoparticles Hybrid Nanocomposites: From Preparation to Applications (Hrsg. Qaiss, AK et al.) 197 (Springer, 2021).

Kapitel Google Scholar

Brazaca, L., Ribovski, L., Janegitz, B. & Zucolotto, V. Medizinische Biosensoren für Point-of-Care-Anwendungen (POC) 229–254 (Elsevier, 2017).

Buchen Sie Google Scholar

Karunakaran, C., Rajkumar, R. & Bhargava, K. Biosensors and Bioelectronics 1–68 (Elsevier, 2015).

Buchen Sie Google Scholar

Dai, Y., Abbasi, K., DePietro, M., Butler, S. & Liu, CC Fortschrittliche Herstellung eines Biosensors zum Nachweis von Glypican-1 unter Verwendung der S-Acetylmercaptobernsteinsäureanhydrid (SAMSA)-Modifikation des Antikörpers. Wissenschaft. Rep. 8, 1–7 (2018).

Artikel Google Scholar

Islam, MN & Channon, RB Bioengineering Innovative Solutions for Cancer 47–71 (Elsevier, 2020).

Buchen Sie Google Scholar

Guo, C. et al. Aptamer-basierte Silbernanocluster, eingebettet in ein metallorganisches Zirkoniumgerüst für bifunktionale elektrochemische und SPR-Aptasensoren für karzinoembryonale Antigene. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 9, 41188–41199 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gu, C. et al. Bimetallisches ZrHf-basiertes metallorganisches Gerüst mit eingebetteten Kohlenstoffpunkten: Hochempfindliche Plattform für die Frühdiagnose von HER2 und HER2-überexprimierten lebenden Krebszellen. Biosens. Bioelektron. 134, 8–15 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tabasi, A., Noorbakhsh, A. & Sharifi, E. Reduzierte Graphenoxid-Chitosan-Aptamer-Schnittstelle als neue Plattform für den ultraempfindlichen Nachweis des menschlichen epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors 2. Biosens. Bioelektron. 95, 117–123 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, Z. et al. NH 2-Ni-MOF-Elektrokatalysatoren mit einstellbarer Größe/Morphologie für den ultraempfindlichen Nachweis von C-reaktiven Proteinen über einen durch Aptamerbindung induzierten DNA-Walker-Antikörper-Sandwich-Assay. J. Mater. Chem. B 6, 2426–2431 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhu, Y., Chandra, P. & Shim, Y.-B. Hochempfindliche und selektive elektrochemische Diagnose von Brustkrebs basierend auf einem Hydrazin-Au-Nanopartikel-Aptamer-Biokonjugat. Anal. Chem. 85, 1058–1064 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Niazi, JH, Verma, SK, Niazi, S. & Qureshi, A. In vitro HER2-Protein-induzierte Affinitätsdissoziation von mit Kohlenstoffnanoröhren umwickelten Anti-HER2-Aptameren für den HER2-Proteinnachweis. Analyst 140, 243–249 (2015).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Freitas, M., Neves, MM, Nouws, HP & Delerue-Matos, C. Quantenpunkte als Nanomarkierungen für die Analyse des Brustkrebs-Biomarkers HER2-ECD in menschlichem Serum. Talanta 208, 120430 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ou, D. et al. Ein Biosensor auf Dual-Aptamer-Basis zum spezifischen Nachweis des Brustkrebs-Biomarkers HER2 über blütenähnliche Nanozyme und DNA-Nanostrukturen. J. Mater. Chem. B 7, 3661–3669 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Freitas, M., Nouws, HP, Keating, E. & Delerue-Matos, C. Hochleistungsfähiger elektrochemischer immunomagnetischer Assay für die Brustkrebsanalyse. Sens. Aktoren B Chem. 308, 127667 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Shamsipur, M., Emami, M., Farzin, L. & Sabre, R. Ein elektrochemischer Immunosensor vom Sandwich-Typ basierend auf In-situ-Silberabscheidung zur Bestimmung des HER2-Serumspiegels bei Brustkrebspatientinnen. Biosens. Bioelektron. 103, 54–61 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, Anal. Chem. 90, 4764–4769 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ehzari, H., Samimi, M., Safari, M. & Gholivand, MB Markierungsfreier elektrochemischer Immunsensor für den empfindlichen HER2-Biomarker-Nachweis unter Verwendung der magnetischen metallorganischen Kern-Schale-Gerüste. J. Elektroanal. Chem. 877, 114722 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Centane, S. & Nyokong, T. Der Antikörper unterstützte den Nachweis von HER2 auf einem zweikernigen Kobalt-Porphyrin-Gerüst und einer mit goldfunktionalisierten Graphen-Quantenpunkten modifizierten Elektrode. J. Elektroanal. Chem. 880, 114908 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Varyambath, A., Tran, CH, Song, WL & Kim, I. Hypervernetzte Polypyrenkugeln, funktionalisiert mit 3-Aminophenylboronsäure für den elektrochemischen Nachweis von Diolen. ACS Omega 2, 7506–7514 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zeng, F. et al. Einstufige elektrochemische In-situ-Herstellung von mit Graphenoxid-Nanoblättern modifizierten Elektroden für Biosensoren. Chemsuschem 4, 1587–1591 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Guo, H.-L., Wang, X.-F., Qian, Q.-Y., Wang, F.-B. & Xia, X.-H. Ein grüner Ansatz zur Synthese von Graphen-Nanoblättern. ACS Nano 3, 2653–2659 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, C. et al. Stickstoffdotierte Graphen-Quantenpunkte @ SiO2-Nanopartikel als Elektrochemilumineszenz- und Fluoreszenzsignalindikatoren für magnetisch gesteuerte Aptasensoren mit zwei Detektionskanälen. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 7, 26865–26873 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem Nano Drug Delivery Research Center, Health Technology Institute, Kermanshah University of Medical Science, Kermanshah, Iran (Grant No. 990192; IR.KUMS.REC.1398.1245) für die finanzielle Unterstützung. Wir möchten auch Dr. Keivan Majidzadeh-a und Dr. Ramin Sarrami-Forooshani vom BCRC, Motamed Cancer Institute, ACECR, Teheran, Iran, unseren aufrichtigen Dank und Dank für ihre Unterstützung in Laboreinrichtungen und echten Serumproben zum Ausdruck bringen.

Abteilung für Nanobiotechnologie, Fakultät für innovative Wissenschaft und Technologie, Razi-Universität, Kermanshah, Iran

Mahdi Sadeghi & Soheila Kashanian

Fakultät für Chemie, Sensor- und Biosensor-Forschungszentrum (SBRC), Razi-Universität, Kermanshah, Iran

Soheila Kashanian

Nano Drug Delivery Research Center, Health Technology Institute, Kermanshah University of Medical Science, 6734667149, Kermanshah, Iran

Inspiration Arkan

Forschungsgruppe für Biomaterialien und Gewebetechnik, Abteilung für interdisziplinäre Technologien, Brustkrebsforschungszentrum (BCRC), Motamed Cancer Institute, ACECR, Teheran, Iran

Seyed Morteza Naghib

Abteilung für Nanotechnologie, School of Advanced Technologies, Iran University of Science and Technology (IUST), 1684613114, Teheran, Iran

Seyed Morteza Naghib

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MS hat die experimentellen Verfahren festgelegt und den Manuskriptentwurf verfasst. SK, SMN und EA haben das Manuskript geschrieben und überarbeitet und waren Betreuer.

Korrespondenz mit Soheila Kashanian, Seyed Morteza Naghib oder Elham Arkan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Sadeghi, M., Kashanian, S., Naghib, SM et al. Ein leistungsstarker elektrochemischer Aptasensor auf Basis von mit Graphen dekorierten Rhodium-Nanopartikeln zum Nachweis des HER2-ECD-Onkomarkers in der Flüssigbiopsie. Sci Rep 12, 3299 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-07230-3

Zitat herunterladen

Eingegangen: 15. November 2021

Angenommen: 15. Februar 2022

Veröffentlicht: 28. Februar 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-07230-3

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Krebs-Nanotechnologie (2023)

Krebs-Nanotechnologie (2022)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.