Ein flexibler Graphen-Biosensor für schnelle, hochempfindliche Detektion von Eierstockkrebszellen

Zusammenfassung

Die Früherkennung von Eierstockkrebs bleibt eine kritische Herausforderung, vor allem aufgrund unspezifischer Symptome und dem Fehlen zuverlässiger Screening-Tools. Wir präsentieren einen kosteneffektiven, flexiblen Graphen-Biosensor, der auf Polyethylenterephthalat (PET) gefertigt ist und zirkulierende Tumorzellen (CTCs) mit hoher Empfindlichkeit und Geschwindigkeit detektiert. Der Sensor unterscheidet zwischen Zellkulturmedium und Eierstockkrebs-Zellsuspensionen, reagiert unterschiedlich auf verschiedene Zelltypen und hält eine Detektionsgrenze von nur wenigen Dutzend Zellen pro Milliliter. Bemerkenswert ist, dass der Biosensor innerhalb von 5 Sekunden ein messbares elektrisches Signal liefert und somit eine vielversprechende Plattform für schnelle Point-of-Care-Diagnostik bietet.

Graphische Zusammenfassung

Einleitung

Eierstockkrebs ist die zweithäufigste gynäkologische Malignität und die häufigste Todesursache bei Frauen mit gynäkologischen Krebserkrankungen. Aktuelle Screening-Strategien – Bildgebung kombiniert mit CA125-Antigentest – bieten begrenzte Empfindlichkeit, insbesondere im Frühstadium, wo die Überlebensraten drastisch sinken. Frühstadium-Tumoren setzen CTCs in den Blutkreislauf frei, was einen nicht-invasiven Biomarker darstellt, der, wenn er mit ausreichender Empfindlichkeit detektiert wird, die Patientenergebnisse transformieren könnte. Obwohl mehrere immunmagnetische und mikrofluidische Techniken entwickelt wurden, erreichen keine die hohe Spezifität und schnelle Bearbeitungszeit, die für die klinische Einführung erforderlich sind.

Graphen, ein zweidimensionales Gitter aus sp²-gebundenem Kohlenstoff, hat sich als vielseitige Plattform für Biosensoren aufgrund seiner außergewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit und großen Oberfläche etabliert. Bisherige Graphen-basierte Geräte quantifizierten erfolgreich Protein-Biomarker wie CEA und PSA, doch flexible, kostengünstige Graphen-Biosensoren für Eierstockkrebs-CTCs blieben unerforscht. Diese Studie stellt einen handgefertigten Graphen/PET-Sensor vor, der diese Lücken schließt, indem er mechanische Flexibilität, schnelle Ansprechzeit und hohe Empfindlichkeit kombiniert.

Materialien und Methoden

Wachstum und Transfer von Graphenfilm

Monolagen-Graphen wurde auf Kupferfolie mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) synthetisiert. Die Folie wurde 5 Minuten in Salzsäure gereinigt, gefolgt von deionisiertem Wasser-Spülen und Stickstofftrocknung. In der CVD-Kammer wurde die Temperatur auf 1000 °C unter Wasserstoffatmosphäre (50 sccm) für 20 Minuten angehoben, dann Methan (50 sccm) für weitere 20 Minuten eingeführt, um die Graphenschicht wachsen zu lassen. Nach Abkühlung wurde das Graphen/Kupfer-Substrat geschnitten, mit PMMA beschichtet und das Kupfer in 1 M FeCl₃ geätzt. Der PMMA/Graphen-Stapel wurde gespült, auf PET übertragen und das PMMA mit Aceton entfernt, um einen Graphen/PET-Film zu erhalten.

Herstellung von Graphen-basierten Biosensoren

Der Graphenfilm wurde auf 1 cm × 2 cm Stücke geschnitten und auf PET übertragen. Zwei Silberpasten-Elektroden wurden zentral positioniert. Ein Silikongel-Well, wenige Millimeter lang und breit und ~1 mm hoch, wurde um die Elektroden gegossen, um einen Zellpool zu schaffen. Der fertige Sensor wurde mit einem Agilent 4155B Halbleiteranalysator verifiziert.

Kultur von SKOV3 Eierstockkrebszellen

SKOV3-Zellen (aus dem öffentlichen Labor des Second Affiliated Hospital of West China gewonnen) wurden in RPMI-1640-Medium mit 10 % Kälberserum gezüchtet, bei 37 °C und 5 % CO₂ gehalten.

Vorbereitung der Zelllösung und elektrische Messung

Zellsuspensionen wurden auf gewünschte Konzentrationen in Kultivierungsmedium verdünnt. Ein 50 µL Aliquot wurde in den Silikon-Well gegeben, und die resultierende Stromänderung wurde mit dem Agilent 4155B Analysator aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Der 10 × 10 cm Graphenfilm (Abbildung 1a) zeigte eine subtile Verdunkelung im Vergleich zu blankem Cu, was die Graphenbedeckung bestätigte. Raman-Analyse (Abbildung 1b) zeigte G- und 2D-Peaks bei 1580 cm⁻¹ und 2680 cm⁻¹, während das I_G/I_2D-Verhältnis (<0,5) und der vernachlässigbare D-Peak (Abbildung 1c) Monolagen-Qualität und niedrige Defektdichte bestätigten.

a Fotografie von blanker Cu-Folie (links) und Graphen-beschichteter Cu-Folie (rechts). b Raman-Spektrum von Graphen/Cu. c Raman-Spektrum von Graphen/SiO₂/Si.

Flexible Sensoren auf PET (Abbildung 2) erzeugten klare elektrische Signale, als eine 50 µL Probe dem Zellpool hinzugefügt wurde. Der Basisstrom blieb vor Probenzugabe stabil; bei Kontakt fiel der Strom ab und stabilisierte sich auf einem neuen Wert. Die relative Antwort, definiert als η = (I₀ – I)/I₀ × 100 %, betrug 2,96 % für zellfreies Medium und 37,04 % für eine CTC-Lösung mit 30 Zellen/mL, was eine ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber Krebszellen anzeigt.

Fotografie des Graphen/PET-Biosensors.

Zeitaufgelöste Messungen (Abbildung 3) zeigten, dass eine 30 Zellen/mL CTC-Lösung in nur 2,1 s eine 5 % Antwort erreichte, während dieselbe Konzentration des Mediums nur eine 0,15 % Änderung bewirkte. Die schnelle, sub-10-sekündige Antwort bestätigt die Eignung des Sensors für Point-of-Care-Einsatz.

a Elektrische Antwort für zellfreies Medium. b Antwort für eine 30 Zellen/mL Krebslösung.

Wir testeten weiter zwei verschiedene CTC-Linien (SUDHL8 und OCILYS) bei 10.000 Zellen/mL. Obwohl beide messbare Antworten zeigten, unterschieden sich ihre Strom-Zeit-Profile signifikant, was darauf hindeutet, dass der Sensor zwischen Zelltypen unterscheiden kann (Abbildung 5).

Zeitabhängige Antwort für (a) SUDHL8 und (b) OCILYS Zellen.

Schließlich bewerteten wir das konzentrationsabhängige Verhalten des Sensors mit SUDHL8-Zellen bei 10 K und 100 K Zellen/mL. Höhere Konzentrationen erzeugten eine leicht geringere Stromänderung, was die isolierende Natur dicht gepackter Zellen widerspiegelt (Abbildung 6). Dennoch behielt der Sensor eine deutliche Antwort bei, was sein quantitatives Potenzial unterstreicht.

a Strom vs. Zeit für 10 K vs. 100 K Zellen/mL. b Entsprechende Antwortkurven.

Zusammenfassend demonstrieren die Daten, dass ein handgefertigter, flexibler Graphen-Biosensor Eierstockkrebs-CTCs empfindlich und schnell detektieren, zwischen Zelltypen unterscheiden und Zellkonzentration quantifizieren kann – alles innerhalb von Sekunden.

Fazit

Wir haben einen einfachen, flexiblen Graphen-Biosensor auf PET gefertigt, der Eierstockkrebs-CTCs mit bemerkenswerter Geschwindigkeit und Empfindlichkeit detektiert. Durch Vergleich der elektrischen Signale vor und nach Probenzugabe unterscheidet das Gerät krebsartige von nicht-krebsartigen Medien, identifiziert verschiedene Zelllinien und quantifiziert die Zellkonzentration. Diese kostengünstige Plattform verspricht schnelle Point-of-Care-Diagnostik, die die Früherkennung und Überwachung von Eierstockkrebs verbessern könnte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle relevanten Daten sind im Artikel und seinen ergänzenden Dateien enthalten.

Abkürzungen

CA:

Carbohydrate antigen

CTC:

Circulating tumor cell

PET:

Polyethylene terephthalate

FDA:

Food and Drug Administration

CVD:

Chemical vapor deposition