Принципы и подходы к созданию флуоресцентных гидрогелей для диагностики онкологических заболеваний
https://doi.org/10.17650/1726-9784-2023-22-4-17-27
Аннотация
Введение. Ранняя чувствительная и высокоспецифичная диагностика является одной из важных составляющих успешной терапии онкологических заболеваний. Флуоресцентные гидрогели позволяют создавать универсальные биосенсоры благодаря повышенной емкости связывания биологических распознающих и репортерных молекул, возможности проведения высокочувствительной флуоресцентной детекции, а также гибкости комбинирования их структурных и функциональных элементов.
Цель исследования – рассмотреть принципы дизайна и методические подходы к созданию биосенсоров на основе флуоресцентных гидрогелей для детекции онкомаркеров, а также обобщить и систематизировать данные по применяемым в них принципам детекции и генерации детектируемого сигнала.
Результаты. Флуоресцентные гидрогели являются примером трехмерных сенсорных платформ – структур, объединяющих репортерную флуоресцентную функцию с биологическими распознающими молекулами, которые позволяют сохранить уникальные оптические свойства флуоресцентных нанокристаллов на макроуровне. Пористая структура гидрогелей позволяет увеличить активную площадь поверхности биосенсоров для трехмерной иммобилизации флуоресцентных меток и биологических распознающих молекул, при этом сохраняя структуру последних для специфического связывания детектируемых молекул образца, что обеспечивает чувствительность, превосходящую традиционные методы иммуноферментного и иммунохроматографического анализа. В качестве биологических распознающих молекул могут выступать не только традиционно применяемые антитела, но и ферменты и гликопротеины, аптамеры и олигонуклеотиды, а также полимеры, полученные методом молекулярного импринтинга, что расширяет круг специфически детектируемых аналитов.
Заключение. В обзоре представлены примеры биосенсоров на основе флуоресцентных гидрогелей для детекции маркеров онкологических заболеваний, изложены подходы к получению этих гелей, иммобилизации биологических распознающих молекул и принципы генерации оптического детектируемого сигнала. Показаны основные преимущества флуоресцентных гидрогелевых биосенсоров перед классическими тестами, применяемыми в области экспресс-диагностики онкологических заболеваний.
Ключевые слова
Об авторах
П. М. СоколовРоссия
121205 Москва, Сколково, ул. Нобеля, 5
115409 Москва, Каширское шоссе, 31
П. С. Самохвалов
Россия
121205 Москва, Сколково, ул. Нобеля, 5
115409 Москва, Каширское шоссе, 31
Д. А. Баранова
Россия
115409 Москва, Каширское шоссе, 31
А. В. Суханова
Франция
51100 Реймс, ул. Когнак Жэ, 51
Список литературы
1. Hawkes N. Cancer survival data emphasise importance of early diagnosis. BMJ 2019;364:1408. DOI: 10.1136/bmj.l408
2. Crosby D., Bhatia S., Brindle K.M. et al. Early detection of cancer. Science 2022;375(6586):eaay9040. DOI: 10.1126/science.aay9040
3. Pulumati A., Pulumati A., Dwarakanath B.S. et al. Technological advancements in cancer diagnostics: Improvements and limitations. Cancer Rep (Hoboken) 2023;6(2):e1764. DOI: 10.1002/cnr2.1764
4. Sukhanova A., Ramos-Gomes F., Chames P. et al. Multiphoton deep-tissue imaging of micrometastases and disseminated cancer cells using conjugates of quantum dots and single-domain antibodies. Methods Mol Biol 2021;2350:105–23. DOI: 10.1007/978-1-0716-1593-5_8
5. Lutz A.M., Willmann J.K., Cochran F.V. et al. Cancer screening: a mathematical model relating secreted blood biomarker levels to tumor sizes. PLoS medicine 2008;5(8):e170. DOI: 10.1371/journal.pmed.0050170
6. You P.Y., Li F.C., Liu M.H., Chan Y.H. Colorimetric and fluorescent dual-mode immunoassay based on plasmon-enhanced fluorescence of polymer dots for detection of PSA in whole blood. ACS Appl Mater Interfaces 2019;11(10):9841–9. DOI: 10.1021/acsami.9b00204
7. Li Y., Huang Z.-Z., Weng Y., Tan H. Pyrophosphate ion-responsive alginate hydrogel as an effective fluorescent sensing platform for alkaline phosphatase detection. Chem Commun (Camb) 2019;55(76):11450–3. DOI: 10.1039/C9CC05223B
8. Guglielmi M., Martucci A. Semiconductor quantum dot-doped sol–gel materials. In: Martucci A., Santos L., Estefanía Rojas Hernández R., Almeida R., eds. Sol–gel derived optical and photonic materials. Cambridge: Woodhead Publishing, 2020. P. 209–226.
9. Richter A., Paschew G., Klatt S. et al. Review on hydrogel-based pH sensors and microsensors. Sensors (Basel) 2008;8(1):561–81. DOI: 10.3390/s8010561
10. Zhang Z., He C., Chen X. Hydrogels based on pH-responsive reversible carbon–nitrogen double-bond linkages for biomedical applications. Mat Chem Front 2018;2:1765–78. DOI: 10.1039/C8QM00317C
11. Hashim H., Maruyama H., Akita Y. et al. Hydrogel fluorescence microsensor with fluorescence recovery for prolonged stable temperature measurements. Sensors (Basel) 2019;19(23):5247. DOI: 10.3390/s19235247
12. Jia Z., Sukker I., Müller M., Schönherr H. Selective discrimination of key enzymes of pathogenic and nonpathogenic bacteria on autonomously reporting shape-encoded hydrogel patterns. ACS Appl Mater Interfaces 2018;10(6):5175–84. DOI: 10.1021/acsami.7b15147
13. Liang Z., Zhang J., Wu C. et al. Flexible and self-healing electrochemical hydrogel sensor with high efficiency toward glucose monitoring. Biosens Bioelectron 2020;155:112105. DOI: 10.1016/j.bios.2020.112105
14. Chen Z., Chen Y., Hedenqvist M.S. et al. Multifunctional conductive hydrogels and their applications as smart wearable devices. J Mater Chem B 2021;9(11):2561–83. DOI: 10.1039/D0TB02929G
15. Larsson A., Ekblad T., Andersson O., Liedberg B. Photografted poly(ethylene glycol) matrix for affinity interaction studies. Biomacromolecules 2007;8(1):287–95. DOI: 10.1021/bm060685g
16. Jung I.Y., Kim J.S., Choi B.R. et al. Hydrogel based biosensors for in vitro diagnostics of biochemicals, proteins, and genes. Adv Healthc Mater 2017;6(12):1601475. DOI: 10.1002/adhm.201601475
17. Gao Y., Wolf L.K., Georgiadis R.M. Secondary structure effects on DNA hybridization kinetics: A solution versus surface comparison. Nucleic Acids Res 2006;34(11):3370–7. DOI: 10.1093/nar/gkl422
18. Welch N.G., Scoble J.A., Muir B.W., Pigram P.J. Orientation and characterization of immobilized antibodies for improved immunoassays (Review). Biointerphases 2017;12(2):02D301. DOI: 10.1116/1.4978435
19. Feng B., Huang S., Ge F. et al. 3D antibody immobilization on a planar matrix surface. Biosens Bioelectron 2011;28(1):91–6. DOI: 10.1016/j.bios.2011.07.003
20. Su X., Hao D., Xu X. et al. Hydrophilic/hydrophobic heterogeneity anti-biofouling hydrogels with well-regulated rehydration. ACS Appl Mater Interfaces 2020;12(22):25316–23. DOI: 10.1021/acsami.0c05406
21. Missirlis D., Baños M., Lussier F., Spatz J.P. Facile and versatile method for micropatterning poly(acrylamide) hydrogels using photocleavable comonomers. ACS Appl Mater Interfaces 2022;14(3):3643–52. DOI: 10.1021/acsami.1c17901
22. Xia Y., Xue B., Qin M. et al. Printable fluorescent hydrogels based on Self-assembling peptides. Sci Rep 2017;7(1):9691. DOI: 10.1038/s41598-017-10162-y
23. Kar T., Patra N. Pyrene-based fluorescent supramolecular hydrogel: Scaffold for nanoparticle synthesis. J Phys Org Chem 2019;33:e4026. DOI: 10.1002/poc.4026
24. Wu Y., Jin X., Ashrafzadeh Afshar E. et al. Simple turn-off fluorescence sensor for determination of raloxifene using gold nanoparticles stabilized by chitosan hydrogel. Chemosphere 2022;305:135392. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.135392
25. Liu C., Li Q., Wang H. et al. Quantum dots-loaded self-healing gels for versatile fluorescent assembly. Nanomaterials (Basel) 2022;12(3):452. DOI: 10.3390/nano12030452
26. Pisanic T.R. 2nd, Zhang Y., Wang T.H. Quantum dots in diagnostics and detection: principles and paradigms. Analyst 2014;139(12):2968–81. DOI: 10.1039/c4an00294f
27. Linkov P.A., Vokhmintcev K.V., Samokhvalov P.S., Nabiev I.R. Ultrasmall quantum dots for fluorescent bioimaging in vivo and in vitro. Opt Spectrosc 2017;122(1):8–11. DOI: 10.1134/S0030400X17010143
28. Kandi D., Mansingh S., Behera A., ParidaK. Calculation of relative fluorescence quantum yield and Urbach energy of colloidal CdS QDs in various easily accessible solvents. J Lumin 2021;231:117792. DOI: 10.1016/j.jlumin.2020.117792
29. Neo D.C.J., Goh W.P., Lau H.H., Shanmugam J. CuInS2 quantum dots with thick ZnSexS1-x shells for a luminescent solar concentrator. ACS Appl Nano Mater 2020;3:6489–96. DOI: 10.1021/acsanm.0c00958
30. Dey S.C., Nath S.S. Size-dependent fluorescence in CdSe quantum dots. Emer Mat Res 2012;1(3):117–20. DOI: 10.1680/emr.11.00004
31. Montón H., Nogués C., Rossinyol E. et al. QDs versus Alexa: reality of promising tools for immunocytochemistry. J Nano-biotechnology 2009;7:4. DOI: 10.1186/1477-3155-7-4
32. Benson K., Ghimire A., Pattammattel A., Kumar C.V. Protein biophosphors: Biodegradable, multifunctional, protein-based hydrogel for white emission, sensing, and pH detection. Adv Funct Mater 2017;27:1702955. DOI: 10.1002/adfm.201702955
33. Li C.Y., Zheng S.Y., Du C. et al. Carbon dot/poly(methylacrylic acid) nanocomposite hydrogels with high toughness and strong fluorescence. ACS Appl Polym Mater 2020;2:1043–52. DOI: 10.1021/acsapm.9b00971
34. Xu J., Zhang Y., Zhu W. et al. Synthesis of Polymeric nanocomposite hydrogels containing the pendant ZnS nanoparticles: Approach to higher refractive index optical polymeric nanocomposites. Macromol 2018;51(Is.7):2672–81. DOI: 10.1021/acs.macromol.7b02315
35. Yang T., Li Q., Wen W. et al. Cadmium sulfide quantum dots/ poly(acrylic acid-co-acrylic amide) composite hydrogel synthesized by gamma irradiation. Rad Phys Chem 2018;145:130–4. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2017.10.012
36. Zhang H., Wang X., Liao Q. et al. Embedding perovskite nanocrystals into a polymer matrix for tunable luminescence probes in cell imaging. Advan Func Mat 2017;27(7):1604382. DOI: 10.1002/adfm.201604382
37. Gaponik N., Wolf A., Marx R. et al. Three-dimensional self-assembly of thiol-capped CdTe nanocrystals: Gels and aerogels as building blocks for nanotechnology. Advan Mat 2008;20(Is.22):4257–62. DOI: 10.1002/adma.200702986
38. Hörner M., Becker J., Bohnert R. et al. A photoreceptor-based hydrogel with red light-responsive reversible sol-gel transition as transient cellular matrix. Adv Mat Tech n/a:2300195. DOI: 10.1002/admt.202300195
39. Bhattacharya S., Nandi S., Jelinek R. Carbon-dot–hydrogel for enzyme-mediated bacterial detection. RSC Advances 2017;7:588–94. DOI: 10.1039/C6RA25148J
40. Lee T., Teng T.Z.J., Shelat V.G. Carbohydrate antigen 19-9 – tumor marker: Past, present, and future. World J Gastrointest Surg 2020;12(12):468–90. DOI: 10.4240/wjgs.v12.i12.468
41. Piloto A.M.L., Ribeiro D.S.M., Rodrigues S.S.M. et al. Cellulose-based hydrogel on quantum dots with molecularly imprinted polymers for the detection of CA19-9 protein cancer biomarker. Mikrochim Acta 2022;189(4):134. DOI: 10.1007/s00604-022-05230-8
42. Ahmadi-Sangachin E., Mohammadnejad J., Hosseini M. Fluorescence Self-assembled DNA hydrogel for the determination of prostate specific antigen by aggregation induced emission. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 2023:303:123234. DOI: 10.2139/ssrn.4313053
43. Bautista-Sánchez D., Arriaga-Canon C., Pedroza-Torres A. et al. The promising role of miR-21 as a cancer biomarker and its importance in RNA-based therapeutics. Mol Ther Nucleic Acids 2020;20:409–20. DOI: 10.1016/j.omtn.2020.03.003
44. Mohammadi S., Mohammadi S., Salimi A. A 3D hydrogel based on chitosan and carbon dots for sensitive fluorescence detection of microRNA-21 in breast cancer cells. Talanta 2021;224:121895. DOI: 10.1016/j.talanta.2020.121895
45. Gao Y., Feng B., Han S. et al. The roles of microRNA-141 in human cancers: From diagnosis to treatment. Cell Physiol Biochem 2016;38(2):427–48. DOI: 10.1159/000438641
46. Li C., Li H., Ge J., Jie G. Versatile fluorescence detection of microRNA based on novel DNA hydrogel-amplified signal probes coupled with DNA walker amplification. Chem Commun (Camb) 2019;55(27):3919–22. DOI: 10.1039/C9CC00565J
47. Gong X., Zhou W., Chai Y. et al. MicroRNA-induced cascaded and catalytic self-assembly of DNA nanostructures for enzyme-free and sensitive fluorescence detection of microRNA from tumor cells. Chem Commun (Camb) 2016;52(12):2501–4. DOI: 10.1039/C5CC08861E
48. Zhang G., Zhou S., Yan G. et al. Quantum dot-crosslinked light-guiding hydrogels for sensing folate receptor-overexpressed cancer cells. Sens Actuators B Chem 2021;349:130815. DOI: 10.1016/j.snb.2021.130815
49. Bolli A., Galluzzo P., Ascenzi P. et al. Laccase treatment impairs bisphenol A-induced cancer cell proliferation affecting estrogen receptor alpha-dependent rapid signals. IUBMB life 2008;60(12):843–52. DOI: 10.1002/iub.130
50. Ruiz-Palomero C., Benítez-Martínez S., Soriano M.L., Valcárcel M. Fluorescent nanocellulosic hydrogels based on graphene quantum dots for sensing laccase. Anal Chim Acta 2017;974:93–9. DOI: 10.1016/j.aca.2017.04.018
51. Tse R.T.-H., Wong C.Y.-P., Chiu P.K.-F., Ng C.F. The potential role of spermine and its acetylated derivative in human malignancies. Int J Mol Sci 2022;23(3):1258. DOI: 10.3390/ijms23031258
52. Nair R.R., Debnath S., Das S. et al. A highly selective turn-on biosensor for measuring spermine/spermidine in human urine and blood. ACS Appl Bio Mater 2019;2(6):2374–87. DOI: 10.1021/acsabm.9b00084
53. Traverso N., Ricciarelli R., Nitti M. et al. Role of glutathione in cancer progression and chemoresistance. Oxid Med Cell Longev 2013;2013:972913. DOI: 10.1155/2013/972913
54. Wu R., Ge H., Liu C. et al. A novel thermometer-type hydrogel senor for glutathione detection. Talanta 2019;196:191–6. DOI: 10.1016/j.talanta.2018.12.020
55. Grant C.E., Flis A.L., Ryan B.M. Understanding the role of dopamine in cancer: Past, present and future. Carcinogenesis 2022;43(6):517–27. DOI: 10.1093/carcin/bgac045
56. Yuan J., Wen D., Gaponik N., Eychmüller A. Enzyme-encapsulating quantum dot hydrogels and xerogels as biosensors: Multifunctional platforms for both biocatalysis and fluorescent probing. Angew Chem Int Ed Engl 2013;52(3):976–9. DOI: 10.1002/anie.201205791
57. Fini M.A., Elias A., Johnson R.J., Wright R.M. Contribution of uric acid to cancer risk, recurrence, and mortality. Clin Transl Med 2012;1(1):16. DOI: 10.1186/2001-1326-1-16
58. Azmi N.E., Rashid A.H.A., Abdullah J. et al. Fluorescence biosensor based on encapsulated quantum dots/enzymes/sol-gel for non-invasive detection of uric acid. J Luminescence 2018;202:309–15. DOI: 10.1016/j.jlumin.2018.05.075
59. Wang M., Zhu J., Lubman D.M., Gao C. Aberrant glycosylation and cancer biomarker discovery: a promising and thorny journey. Clin Chem Lab Med 2019;57(4):407–16. DOI: 10.1515/cclm-2018-0379
60. Koshi Y., Nakata E., Yamane H., Hamachi I. A fluorescent lectin array using supramolecular hydrogel for simple detection and pattern profiling for various glycoconjugates. J Am Chem Soc 2006;128(32):10413–22. DOI: 10.1021/ja0613963
Рецензия
Для цитирования:
Соколов П.М., Самохвалов П.С., Баранова Д.А., Суханова А.В. Принципы и подходы к созданию флуоресцентных гидрогелей для диагностики онкологических заболеваний. Российский биотерапевтический журнал. 2023;22(4):17-27. https://doi.org/10.17650/1726-9784-2023-22-4-17-27
For citation:
Sokolov P.M., Samokhvalov P.S., Baranova D.A., Sukhanova A.V. Principles and approaches in the development of fluorescent hydrogels for cancer diagnosis. Russian Journal of Biotherapy. 2023;22(4):17-27. (In Russ.) https://doi.org/10.17650/1726-9784-2023-22-4-17-27