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癌症是全球第二大死亡原因，严重影响着社会经济的发展。根据中国国家癌症中心2019年发布的新一期的全国癌症统计数据，全国新发恶性肿瘤病例数约为 392.9万例，全国恶性肿瘤死亡例数约为233.8万。其中血液肿瘤的发病率一直位列前十。为了降低患者的死亡率并阻止癌症的扩散，必须早发现、早诊断、早治疗。当前用于肿瘤诊断的金标准通常为组织活检。鉴于其活检性质，组织活检存在许多局限性，包括患者风险，样品制备，敏感性和准确性，成本高昂以及有创检查。这使得该方法不兼容于临床的早期监测。虽然一些辅助检测手段，例如医学影像学诊断技术，主要包括透视、X线、电子计算机断层扫描（Computed tomography，CT）、核磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）、超声、血管造影与PET-CT等，它们在临床上被广泛应用，为疾病的诊断提供了直观依据，在配合临床症状进而最终确诊中发挥着不可替代的作用。然而，影像学检查成本高、易出现假阴性/阳性、且某些方法辐射剂量较大，同样不适用于人群的早期筛查和诊断。因此，开发新型检测手段，降低检测的经济和时间成本，增强检测的敏感性和特异性，提高癌症的早期检测和诊断率，是当前卫生健康事业的主要任务之一，对肿瘤的二级预防可起到关键作用。
当下热门的液体活检理念具有克服这些现有限制的巨大潜力。液体活检，又称液相活检，主要对血液等非固体生物组织进行采样和分析。该技术目前被广泛用于肿瘤的诊断和监测，例如检测血液中肿瘤的特异性靶点或标志物，其主要优点是无创检查。因此，它可以更好地跟踪一段时间内的肿瘤进展和突变，还可以用来监测患者治疗后的复发。该方法尤其适用于血液肿瘤患者。目前常用的液体活检的方法，包括酶联免疫吸附测定（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA），荧光光谱，放射免疫测定和免疫组化。但是，这些方法通常需要复杂的仪器，这使其变得昂贵、费力、费时。因此，这些缺点限制了它们在临床诊断中的广泛应用。与之相比，生物传感器具有便携性、敏感性、特异性和实用性等特点，是液体活检的绝佳工具选择。生物传感器常用生物受体来特异性地识别和结合靶标，包括蛋白质、DNA/RNA、核酸等，再将产生的生物信号转换为可分析的物理化学信号。目前常用的生物传感器，如电化学传感器、光学传感器，都可对样品中检测到的生物信号进一步放大，这极大地降低了样品的消耗和检测成本，同时提高了检测的敏感性，对癌症患者的早期筛查和诊断有十分重要的意义。
基于以上背景，本课题分别采用电化学生物传感器和光学生物传感器技术，对血液肿瘤进行筛查鉴别和靶标检测，并将生物传感器检测结果与临床常用的经典方法的检测结果进行比对，验证新型检测手段在血液肿瘤患者中的临床应用价值和前景。具体工作内容分为以下三个部分：
一、基于电化学传感器的血液肿瘤鉴别诊断及初步筛查
即开发和评估一种电化学生物传感器，利用丝网印刷电极检测全血中的白细胞来鉴别健康个体、血液肿瘤患者和实体肿瘤患者。由于细胞在静息和兴奋状态下都会不断地产生电荷的转移、传递和传导，使得人体的电生理活动不断进行着电荷变化。细胞的生化反应同电极上发生的电化学反应极其相似，因此可用电化学传感器检测血液中细胞的电化学信号。由于血液中含有不同种类的细胞，不同细胞会产生不同的氧化还原反应，因此，正常细胞和肿瘤细胞将会呈现出不同的响应，从而能被灵敏地识别出来。所以，我们将从医院中收取的血液样本分为三组：健康个体、血液肿瘤和实体瘤。基于血液样本中不同疾病患者血细胞的电化学行为各不相同，本实验用差分脉冲伏安法（Differential pulse voltammetry，DPV），通过生物电化学传感器检测滴在丝网印刷电极上的血液样本中白细胞的电压峰值，然后将扫描出的电位曲线进行组内和组间比较，根据其电压差和峰位移来区分疾病。通过以上实验，每个人只需被抽出极少的外周血，就可以通过电化学技术的分析，初步确定是否患上肿瘤。同时还能加强肿瘤的二级预防（早期发现、早期诊断和早期治疗），提高早期检出率，加强人群筛查普查。通过提高肿瘤的早期诊断率和检出率，进而提高患者的存活率。
二、基于表面增强拉曼射散（Surface-enhanced roman scattering，SERS）的光学传感器在白血病耐药蛋白中的检测及临床应用
P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）是白血病多药耐药（Multidrug resistance，MDR）重要的调节剂，因此 P-gp 的检测对于发现耐药病人，调整化疗方案具有至关重要的意义。目前，光学生物传感器在肿瘤标志物识别领域正迅速发展。光学传感器检测方法由于具有高效快速、操作简便等特点而广受关注。因此，在这项研究中我们选取了光学传感器其中的一种，即 SERS 方法来评估白血病细胞株和白血病患者外周血中 P-gp 表达水平。与常规肿瘤标志物检测方法相比，SERS 技术采用常规的拉曼光谱法测定吸附在粗糙的胶质金属颗粒表面的样品，被吸附的样品其拉曼光谱的信号强度可提高103～1010倍，具有信号强、灵敏度高、光谱窄、可多重检测的优势，可以实现样本的定性和定量检测及临床应用，对有效解决多元肿瘤标志物检测有十分重要的意义。我们利用抗体装饰的磁珠捕获靶细胞，再用抗体修饰的SERS探针识别细胞中P-gp，最终形成“磁珠-细胞-探针”的三明治结构，然后用拉曼光谱仪检测该三明治结构的SERS信号强度，从而判断 P-gp 的表达量。本实验不仅在细胞水平进行检测，还用于评估白血病患者的临床样本。由于SERS技术具有极好的灵敏度、特异性、可靠性和应用潜力，凭借这些出色的功能，我们预计这种基于SERS的光学传感器检测方法可能对白血病早期多药耐药的临床诊断非常有帮助。
三、基于SERS技术的光学传感器在B细胞系血液肿瘤中对其微小残留标志物的多元检测及临床监测
微小残留病灶（Minimal residual disease，MRD）的测量对于临床中血液肿瘤的诊断和预后至关重要。因此，迫切需要一种灵敏而准确的方法来监测相应的表面标志物，以进行早期诊断和治疗指导。本实验中，我们同样利用以SERS技术为基础的光学传感器，来检测血液肿瘤患者的微小残留标志物。由于单个标志物缺乏特异性，检测单个标志物往往不能准确诊断肿瘤的性质和疾病类别，因此开发多元肿瘤标志物检测技术显得格外重要。相比传统的单次平行检测技术而言，多元检测技术可以提高样品的通量、减少样品消耗、缩短检测时间和降低检测成本。为此，本实验设计同时检测B细胞系的白血病/淋巴瘤的两个表面标志物，同时将实验结果与流式细胞术获得的结果进行比较，评估SERS 技术在细胞株和患者血液样本中多元检测的特异性、灵敏度和可重复性。在上述条件下，本实验将临床中最为棘手的肿瘤标志物多元检测与血液肿瘤患者的微小残留病灶监测相结合，该新方法有望降低标志物检测限，提高微小残留病灶的早期筛查及检出率，为诊断难治/复发性血液病和快速调整个性化化疗方案提供有力的技术支撑。同时，本项目的研究成果也可以拓展到其他类型肿瘤标志物的多元检测，具有重要的基础科研和临床应用意义。
综上所述，本课题采用的生物传感器技术，具有高灵敏、高特异性和可重复性等特点，不仅可以用于从健康人群中筛选出早期肿瘤患者、从免疫表型上区分高度同源的血液肿瘤细胞和耐药细胞、还可以发现肿瘤患者体内残存的极少的微小残留病灶。对提高临床实际样本检测的适用性和检出率，提高血液肿瘤诊断分类分型和预后评估的准确性具有重大意义。该方法方便快捷、省时省力、所需样本量少、无须定位、可定量和动态监测，而且由于标本可以集中处理，减少生物污染，具有极高的临床意义与商业价值，应受到广泛重视。
当下热门的液体活检理念具有克服这些现有限制的巨大潜力。液体活检，又称液相活检，主要对血液等非固体生物组织进行采样和分析。该技术目前被广泛用于肿瘤的诊断和监测，例如检测血液中肿瘤的特异性靶点或标志物，其主要优点是无创检查。因此，它可以更好地跟踪一段时间内的肿瘤进展和突变，还可以用来监测患者治疗后的复发。该方法尤其适用于血液肿瘤患者。目前常用的液体活检的方法，包括酶联免疫吸附测定（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA），荧光光谱，放射免疫测定和免疫组化。但是，这些方法通常需要复杂的仪器，这使其变得昂贵、费力、费时。因此，这些缺点限制了它们在临床诊断中的广泛应用。与之相比，生物传感器具有便携性、敏感性、特异性和实用性等特点，是液体活检的绝佳工具选择。生物传感器常用生物受体来特异性地识别和结合靶标，包括蛋白质、DNA/RNA、核酸等，再将产生的生物信号转换为可分析的物理化学信号。目前常用的生物传感器，如电化学传感器、光学传感器，都可对样品中检测到的生物信号进一步放大，这极大地降低了样品的消耗和检测成本，同时提高了检测的敏感性，对癌症患者的早期筛查和诊断有十分重要的意义。
基于以上背景，本课题分别采用电化学生物传感器和光学生物传感器技术，对血液肿瘤进行筛查鉴别和靶标检测，并将生物传感器检测结果与临床常用的经典方法的检测结果进行比对，验证新型检测手段在血液肿瘤患者中的临床应用价值和前景。具体工作内容分为以下三个部分：
一、基于电化学传感器的血液肿瘤鉴别诊断及初步筛查
即开发和评估一种电化学生物传感器，利用丝网印刷电极检测全血中的白细胞来鉴别健康个体、血液肿瘤患者和实体肿瘤患者。由于细胞在静息和兴奋状态下都会不断地产生电荷的转移、传递和传导，使得人体的电生理活动不断进行着电荷变化。细胞的生化反应同电极上发生的电化学反应极其相似，因此可用电化学传感器检测血液中细胞的电化学信号。由于血液中含有不同种类的细胞，不同细胞会产生不同的氧化还原反应，因此，正常细胞和肿瘤细胞将会呈现出不同的响应，从而能被灵敏地识别出来。所以，我们将从医院中收取的血液样本分为三组：健康个体、血液肿瘤和实体瘤。基于血液样本中不同疾病患者血细胞的电化学行为各不相同，本实验用差分脉冲伏安法（Differential pulse voltammetry，DPV），通过生物电化学传感器检测滴在丝网印刷电极上的血液样本中白细胞的电压峰值，然后将扫描出的电位曲线进行组内和组间比较，根据其电压差和峰位移来区分疾病。通过以上实验，每个人只需被抽出极少的外周血，就可以通过电化学技术的分析，初步确定是否患上肿瘤。同时还能加强肿瘤的二级预防（早期发现、早期诊断和早期治疗），提高早期检出率，加强人群筛查普查。通过提高肿瘤的早期诊断率和检出率，进而提高患者的存活率。
二、基于表面增强拉曼射散（Surface-enhanced roman scattering，SERS）的光学传感器在白血病耐药蛋白中的检测及临床应用
P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）是白血病多药耐药（Multidrug resistance，MDR）重要的调节剂，因此 P-gp 的检测对于发现耐药病人，调整化疗方案具有至关重要的意义。目前，光学生物传感器在肿瘤标志物识别领域正迅速发展。光学传感器检测方法由于具有高效快速、操作简便等特点而广受关注。因此，在这项研究中我们选取了光学传感器其中的一种，即 SERS 方法来评估白血病细胞株和白血病患者外周血中 P-gp 表达水平。与常规肿瘤标志物检测方法相比，SERS 技术采用常规的拉曼光谱法测定吸附在粗糙的胶质金属颗粒表面的样品，被吸附的样品其拉曼光谱的信号强度可提高103～1010倍，具有信号强、灵敏度高、光谱窄、可多重检测的优势，可以实现样本的定性和定量检测及临床应用，对有效解决多元肿瘤标志物检测有十分重要的意义。我们利用抗体装饰的磁珠捕获靶细胞，再用抗体修饰的SERS探针识别细胞中P-gp，最终形成“磁珠-细胞-探针”的三明治结构，然后用拉曼光谱仪检测该三明治结构的SERS信号强度，从而判断 P-gp 的表达量。本实验不仅在细胞水平进行检测，还用于评估白血病患者的临床样本。由于SERS技术具有极好的灵敏度、特异性、可靠性和应用潜力，凭借这些出色的功能，我们预计这种基于SERS的光学传感器检测方法可能对白血病早期多药耐药的临床诊断非常有帮助。
三、基于SERS技术的光学传感器在B细胞系血液肿瘤中对其微小残留标志物的多元检测及临床监测
微小残留病灶（Minimal residual disease，MRD）的测量对于临床中血液肿瘤的诊断和预后至关重要。因此，迫切需要一种灵敏而准确的方法来监测相应的表面标志物，以进行早期诊断和治疗指导。本实验中，我们同样利用以SERS技术为基础的光学传感器，来检测血液肿瘤患者的微小残留标志物。由于单个标志物缺乏特异性，检测单个标志物往往不能准确诊断肿瘤的性质和疾病类别，因此开发多元肿瘤标志物检测技术显得格外重要。相比传统的单次平行检测技术而言，多元检测技术可以提高样品的通量、减少样品消耗、缩短检测时间和降低检测成本。为此，本实验设计同时检测B细胞系的白血病/淋巴瘤的两个表面标志物，同时将实验结果与流式细胞术获得的结果进行比较，评估SERS 技术在细胞株和患者血液样本中多元检测的特异性、灵敏度和可重复性。在上述条件下，本实验将临床中最为棘手的肿瘤标志物多元检测与血液肿瘤患者的微小残留病灶监测相结合，该新方法有望降低标志物检测限，提高微小残留病灶的早期筛查及检出率，为诊断难治/复发性血液病和快速调整个性化化疗方案提供有力的技术支撑。同时，本项目的研究成果也可以拓展到其他类型肿瘤标志物的多元检测，具有重要的基础科研和临床应用意义。
综上所述，本课题采用的生物传感器技术，具有高灵敏、高特异性和可重复性等特点，不仅可以用于从健康人群中筛选出早期肿瘤患者、从免疫表型上区分高度同源的血液肿瘤细胞和耐药细胞、还可以发现肿瘤患者体内残存的极少的微小残留病灶。对提高临床实际样本检测的适用性和检出率，提高血液肿瘤诊断分类分型和预后评估的准确性具有重大意义。该方法方便快捷、省时省力、所需样本量少、无须定位、可定量和动态监测，而且由于标本可以集中处理，减少生物污染，具有极高的临床意义与商业价值，应受到广泛重视。