Een flexibele grafene biosensor voor snelle, gevoelige detectie van eierstokkankercellen

Samenvatting

Vroege detectie van eierstokkanker blijft een kritieke uitdaging, voornamelijk door aspecifieke symptomen en het gebrek aan betrouwbare screeningstools. We presenteren een kosteneffectieve, flexibele grafene-biosensor gefabriceerd op polyethyleentereftalaat (PET) die circulatoire tumorcellen (CTCs) detecteert met hoge gevoeligheid en snelheid. De sensor onderscheidt tussen celcultuurmedium en eierstokkankercel-suspensies, reageert distinct op verschillende celtypen, en behoudt een detectielimiet van slechts enkele tientallen cellen per milliliter. Opvallend levert de biosensor een meetbare elektrische respons binnen 5 seconden, wat een veelbelovend platform biedt voor snelle, point-of-care diagnostiek.

Grafische Samenvatting

Inleiding

Eierstokkanker is de op een na meest voorkomende gynaecologische maligniteit en de leidende doodsoorzaak onder vrouwen met gynaecologische kankers. Huidige screeningstrategieën – beeldvorming gecombineerd met CA125-antigentesten – bieden beperkte gevoeligheid, met name in vroege stadia, waar overlevingscijfers scherp dalen. Vroege-tumor vrijgeven CTC's in de bloedstroom, wat een non-invasieve biomarker biedt die, als gedetecteerd met voldoende gevoeligheid, patiëntenuitkomsten kan transformeren. Hoewel verschillende immunomagnetische en microfluïdische technieken zijn ontwikkeld, komt nog geen overeen met de hoge specificiteit en snelle verwerkingstijd nodig voor klinische adoptie.

Grafene, een tweedimensionaal rooster van sp²-gebonden koolstof, heeft zich ontwikkeld als een veelzijdig platform voor biosensing vanwege de uitzonderlijke elektrische geleiding en grote oppervlakte. Eerdere grafene-gebaseerde apparaten hebben succesvol proteïne biomarkers zoals CEA en PSA gekwantificeerd, doch flexibele, goedkope grafene-biosensoren voor eierstokkanker CTC's blijven onontgonnen. Deze studie introduceert een handmatig gefabriceerde grafene/PET-sensor die deze hiaten overbrugt door mechanische flexibiliteit, snelle respons en hoge gevoeligheid te combineren.

Materialen en Methodes

Groei en overdracht van grafene-film

Monolaag grafene werd gesynthetiseerd op koperfolie via chemische dampafscheiding (CVD). De folie onderging 5-minuten zoutzuurreiniging, gevolgd gedioniseerd water afspoelen en stikstof drogen. In de CVD-kamer werd de temperatuur opgetild tot 1000 °C onder waterstofatmosfeer (50 sccm) gedurende 20 minuten, waarna methaan (50 sccm) werd geïntroduceerd voor een additionele 20 minuten om de grafene-laag te laten groeien. Na afkoeling werd het grafene/Cu-substraat gesneden, gecoat met PMMA, en het koper geëtst in 1 M FeCl₃. De PMMA/grafene-stapel werd afgespoeld, overgebracht op PET, en de PMMA verwijderd met aceton om een grafene/PET-film te verkrijgen.

Fabricatie van grafene-gebaseerde biosensoren

De grafene-film werd gesneden tot 1 cm×2 cm stukken en overgebracht op PET. Twee zilver-pasta elektroden werden centraal geplaatst. Een silicone gel put, van enkele millimeters in lengte en breedte en ~1 mm in hoogte, werd gegoten rond de elektroden om een cel-put te creëren. De voltooide sensor werd geverifieerd met een Agilent 4155B halfgeleider-analyser.

Kweek van SKOV3 eierstokkankercellen

SKOV3-cellen (verkregen uit het publieke laboratorium van het Tweede Geaffilieerde Ziekenhuis van West China) werden gekweekt in RPMI-1640-medium aangevuld met 10% kalverseer, onderhouden bij 37 °C en 5% CO₂.

Bereiding van celoplossing en elektrische meting

Cel-suspensies werden gedilueerd tot gewenste concentraties in kweekmedium. Een 50 µL aliquot werd in de silicone put geplaatst, en de resulterende stroomverandering werd vastgelegd met de Agilent 4155B analyser.

Resultaten en Discussie

De 10 × 10 cm grafene-film (Figuur 1a) toonde een subtiele verduistering ten opzichte van kaal Cu, wat grafene-dekking bevestigde. Raman-analyse (Figuur 1b) onthulde G- en 2D-pieken op 1580 cm⁻¹ en 2680 cm⁻¹, terwijl de I_G/I_2D ratio (<0,5) en verwaarloosbare D-piek (Figuur 1c) monolaag-kwaliteit en lage defectdensiteit bevestigden.

a Foto van kaal Cu-folie (links) en grafene-beklede Cu-folie (rechts). b Raman-spectrum van grafene/Cu. c Raman-spectrum van grafene/SiO₂/Si.

Flexibele sensoren op PET (Figuur 2) produceerden duidelijke elektrische signalen toen een 50 µL monster aan de cel-put werd toegevoegd. De basislijn-stroom bleef stabiel vóór monstertoevoeging; bij contact daalde de stroom en stabiliseerde op een nieuwe waarde. De relatieve respons, gedefinieerd als η = (I₀ – I)/I₀ × 100%, was 2,96% voor celvrij medium en 37,04% voor een CTC-oplossing met 30 cellen/mL, wat een uitgesproken gevoeligheid voor kankercellen aangeeft.

Foto van de grafene/PET-biosensor.

Tijdsopgeloste metingen (Figuur 3) toonden dat een 30 cellen/mL CTC-oplossing een 5% respons bereikte in slechts 2,1 s, terwijl dezelfde concentratie medium slechts een 0,15% verandering produceerde. De snelle, sub-10-seconde respons bevestigt de sensor’s geschiktheid voor point-of-care gebruik.

a Elektrische respons voor celvrij medium. b Respons voor een 30 cellen/mL kankeroplossing.

We testten verder twee distincte CTC-lijnen (SUDHL8 en OCILYS) bij 10.000 cellen/mL. Hoewel beide meetbare responsen vertoonden, verschillen hun stroom-tijd profielen significant, wat suggereert dat de sensor kan discrimineren tussen celtypen (Figuur 5).

Tijdsafhankelijke respons voor (a) SUDHL8 en (b) OCILYS cellen.

Tot slot evalueerden we de sensor’s concentratie-afhankelijke gedrag met SUDHL8-cellen bij 10K en 100K cellen/mL. Hogere concentraties produceerden een iets kleinere stroomverandering, wat de isolerende aard van dicht gepakte cellen weerspiegelt (Figuur 6). Niettemin behield de sensor een duidelijke respons, wat het kwantitatieve potentieel benadrukt.

a Stroom vs. tijd voor 10K vs. 100K cellen/mL. b Bijbehorende responscurven.

Samen tonen de data aan dat een handmatig vervaardigde, flexibele grafene-biosensor gevoelig en snel eierstokkanker CTC's kan detecteren, discrimineren tussen celtypen, en celconcentratie kwantificeren – allemaal binnen seconden.

Conclusie

We hebben een eenvoudige, flexibele grafene-biosensor op PET gefabriceerd die eierstokkanker CTC's detecteert met opmerkelijke snelheid en gevoeligheid. Door voor- en na-monster elektrische signalen te vergelijken, onderscheidt het apparaat kankerige van niet-kankerige media, identificeert verschillende cellijnen, en kwantificeert celconcentratie. Dit goedkope platform belooft snelle, point-of-care diagnostiek die vroege detectie en monitoring van eierstokkanker kan verbeteren.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle relevante data zijn opgenomen in het artikel en de bijbehorende supplementaire bestanden.

Afkortingen

CA:

Carbohydraat-antigeen

CTC:

Circulerende tumorcel

PET:

Polyethyleentereftalaat

FDA:

Food and Drug Administration

CVD:

Chemische dampafscheiding