昆虫嗅觉生物电子传感系统：肺癌早期检测的创新突破

原创

来源：张颖

2025-06-06 11:42:43

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核心提示：一种基于昆虫嗅觉的生物电子传感系统，结合柔性双面微电极阵列，实现了对肺癌挥发性生物标志物的非侵入式、无标记检测。

摘要

肺癌的早期检测可显著提高治疗效果，但目前的筛查方法受限于可及性、灵敏度和成本。本研究介绍了一种生物电子传感平台，该平台将高度灵敏的蝗虫嗅觉系统与柔性双面微电极阵列（MEA）相结合，用于对挥发性肺癌生物标志物进行稳健、非侵入式和无标记的检测。利用创新的折叠 - 退火制造技术和 PEDOT:PSS 表面功能化，我们开发了柔性双面 MEA，其电极密度在原型中达到 463、687 和 766 通道 / mm²，同时保持低阻抗（在 4×10⁴Ω 以内）。这些 MEA 展现出良好的机械灵活性和稳定性，能够直接插入蝗虫脑组织进行神经生理记录，无需额外的机械支撑，且能够精确记录由肺癌相关挥发性有机化合物（VOCs）低浓度（1 ppm）触发的触角叶神经活动。通过对电生理记录应用先进的降维技术，识别出对每种 VOC 生物标志物以及不同细胞系散发的复杂“气味”具有独特神经反应模式。采用留一法（leave-one-trial-out）的高维群体神经反应分析，该平台实现了对未知 VOCs 的 100% 分类成功率。此外，该平台还能够检测并分类浓度范围在 ppm 到 ppb 的单个 VOC 生物标志物，准确率达到 86%。该系统进一步被用于检测和分类人类肺癌细胞系，基于培养细胞的独特“气味”，包括两种非小细胞肺癌（NSCLC）和两种小细胞肺癌（SCLC）。定量评估表明，该平台在这些细胞系中的分类准确率达到 85%。这些结果证实了该平台在通过准确识别肺癌阶段和细胞类型来增强临床诊断方面的潜力。通过将生物感官系统与先进的生物电子技术相结合，本研究为肺癌生物标志物检测提供了一种新颖且高效的方法。它提供了一种非侵入式的基于大脑的癌症筛查方法，为早期肺癌诊断提供了一种易于获取且创新的解决方案。

关键词

昆虫嗅觉；生物电子传感；肺癌检测；挥发性有机化合物；柔性微电极阵列

引言

肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因，其早期检测对于提高治疗效果和患者生存率至关重要。目前，肺癌筛查主要依赖于低剂量螺旋 CT（LDCT），但这种方法存在一定的局限性，如对高风险人群的选择依赖于风险模型，且存在辐射暴露风险。因此，开发一种非侵入式、高灵敏度且成本效益高的肺癌检测方法具有重要意义。近年来，研究发现人体呼出的挥发性有机化合物（VOCs）与多种疾病相关，包括肺癌。这些 VOCs 可作为潜在的生物标志物，用于疾病的早期诊断。然而，现有的 VOCs 检测技术如气相色谱 - 质谱（GC-MS）、电子鼻（e-nose）等存在操作复杂、易受环境干扰等缺点。本研究提出了一种基于昆虫嗅觉的生物电子传感平台，利用蝗虫的嗅觉系统与柔性双面微电极阵列（MEA）相结合，实现了对肺癌 VOCs 的高效检测。

结果与讨论

柔性双面 MEA 的性能

实验结果表明，柔性双面 MEA 具备优异的机械灵活性和稳定性，能够直接插入蝗虫脑组织进行神经生理记录，无需额外的机械支撑。电化学阻抗谱（EIS）测试显示，MEA 在制造过程中保持了电极的电化学完整性，即使在折叠、退火和多次插入后，电极的阻抗也没有显著变化。此外，MEA 在 7 天的浸泡测试中表现出良好的稳定性，证明了其在短期稳定记录中的潜力。

Fig. 1

图 1. 概念示意图、微制造工艺流程和制造结果。

PEDOT:PSS 涂层对电极性能的影响

研究发现，PEDOT:PSS 涂层显著提高了电极的灵敏度和信号质量。经过两次 CV 循环处理后，电极的阻抗降低了两个数量级，有效表面积增加了约 2 倍。这表明 PEDOT:PSS 涂层不仅提高了电极的电化学性能，还保持了电极表面的平滑度，减少了对组织的损伤。

Fig. 2 图 2.柔性双面 MEA 的电极表面改性和性能。

肺癌 VOCs 的检测与分类

通过蝗虫触角叶神经生理记录，研究团队成功检测并分类了多种肺癌 VOCs，包括非醛、己醛、戊醛和丙苯。实验中，这些 VOCs 以 1 ppm 的低浓度暴露给蝗虫触角，MEA 记录到了明显的神经反应。通过 PCA 和 LDA 分析，研究团队能够将不同 VOCs 的神经反应区分开来，实现了对未知 VOCs 的 100% 分类成功率。此外，该平台还能够检测并分类浓度范围从 ppm 到 ppb 的单个 VOCs，准确率达到 86%。

Fig. 3

图 3. 肺癌生物标志物根据个体和群体的神经反应进行区分和分类。

Fig. 4

图 4 展示了该生物电子传感平台对不同肺癌细胞系的检测和分类结果。平台能够以 85% 的准确率区分不同的肺癌细胞系，表明其在临床诊断中的应用潜力。

人类肺癌细胞系的检测与分类

该生物电子传感平台进一步被用于检测和分类人类肺癌细胞系。研究中使用了四种不同的肺癌细胞系，包括两种非小细胞肺癌（NSCLC）和两种小细胞肺癌（SCLC）。通过分析这些细胞系培养液中释放的气体混合物，平台能够以 85% 的准确率区分不同的肺癌细胞系。这一结果表明，该平台不仅能够检测 VOCs，还能够识别不同肺癌细胞系的独特“气味”特征，为肺癌的临床诊断提供了新的可能性。

图 5

图 5.检测和区分多种浓度的肺癌生物标志物。

图 6

图 6.使用基于昆虫的生物电子传感器检测和区分人肺癌细胞系。

结论与展望

本研究开发的基于昆虫嗅觉的生物电子传感平台，通过结合柔性双面 MEA 和蝗虫嗅觉系统，实现了对肺癌 VOCs 的高效检测和分类。该平台具有高灵敏度、非侵入式和无标记检测的特点，为肺癌的早期诊断提供了一种新的、高效的方法。未来的研究将致力于进一步优化该平台，提高其稳定性和适应性，以便在更复杂的临床环境中应用。此外，研究团队还将探索该平台在其他疾病检测中的应用潜力，为非侵入式疾病诊断技术的发展做出贡献。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117356