基于ZIF-8电化学生物传感器无创检测口腔癌预后标志物CSTB/LTA4H/COL6A1的研究

本研究创新性开发锌咪唑框架-8（ZIF-8）电化学生物传感器，通过监测唾液中的口腔鳞癌（OSCC）预后标志物——半胱氨酸蛋白酶抑制剂B（CSTB）、白三烯A4水解酶（LTA4H）和VI型胶原α1链（COL6A1），实现无创区分淋巴结转移（N+）与非转移（N0）患者。结合34种机器学习分类器验证，LTA4H鉴别准确率最高（AUC 0.97），AdaBoost模型整合多标志物检测精度达76%，为OSCC精准诊疗提供新策略。

　　

1 引言

口腔鳞状细胞癌（OSCC）占口腔癌90%以上，五年生存率长期停滞在50%，主要归因于晚期诊断和淋巴结转移（21%隐匿性）。传统颈部清扫术导致70%患者承受不必要术后并发症。研究团队基于锌咪唑框架-8（ZIF-8）开发新型电化学生物传感器，通过检测唾液中CSTB、LTA4H和COL6A1三种标志物，实现无创预后评估。

2 结果与讨论

2.1 生物传感器表征

叉指电极（IDE）表面生长的ZIF-8薄膜呈现159±22 nm均匀颗粒（SEM），X射线衍射显示（011）晶面择优取向（7.4°）。原子力显微镜显示薄膜厚度63±14 nm，表面粗糙度11±1 nm。

2.2 抗体固定机制

X射线光电子能谱（XPS）证实抗体通过Zn²⁺未配位位点（1022 eV峰位移）和表面羟基/碳酸基团固定。C 1s谱中283 eV的C=C键特征峰证实抗体多肽链成功锚定。

2.3 检测性能

电化学阻抗谱（EIS）在0.4 Hz最优频率下显示：CSTB（31.25-4000 ng mL^?1，R²=0.9939）和LTA4H（31.25-1000 ng mL^?1，R²=0.9952）浓度升高阻抗降低，而COL6A1（0.97-250 ng mL^?1，R²=0.9931）因形成聚合物网络阻抗增加。回收实验显示90-107.7%回收率，RSD<8.1%。

2.4 临床样本验证

60例OSCC唾液检测显示N0组标志物浓度显著高于N+组（p<0.05），与质谱数据一致。LTA4H检测限最低（0.24 ng mL^?1），COL6A1特异性最高（相位角变化15°）。

2.5 机器学习分析

CatBoost模型对LTA4H单独检测准确率最高（AUC 0.97），而AdaBoost整合三标志物后AUC达0.76。SHAP分析揭示"[all] (ng/ml)"浓度≤-0.17是N+判定的关键特征。

3 结论

该传感器突破性地将ZIF-8的高电容特性（63 nm薄膜介电常数达11）与抗原-抗体反应结合，首次实现OSCC唾液标志物的超灵敏检测（LOD<0.35 ng mL^?1）。LTA4H作为"明星标志物"的发现，为后续液体活检技术开发指明方向。

4 实验方法

通过光刻法制备120指IDE电极（4.8 mm²活性面积），ZIF-8生长采用Zn(NO₃)₂/2-甲基咪唑（25/50 mM）溶液。重组CSTB蛋白通过pET28a(+)载体在大肠杆菌中表达，镍柱纯化得率≥95%。唾液样本经1500×g离心预处理，Western blot验证抗体特异性。机器学习采用Scikit-learn等工具，五折交叉验证确保模型稳健性。