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本研究的主要作者包括Muhammad Ibrar、Tao Wang、Yanqing Luo、Yajun Ruan、Shiqinq Zhu、Yue Wu、Shuangfei Li、Ming Ying和Xuewei Yang。研究团队来自深圳大学海洋生物技术与生态研究中心、华中科技大学同济医学院附属同济医院泌尿外科研究所等机构。该研究于2023年10月11日发表在《ACS Applied Nano Materials》期刊上。
本研究的主要科学领域为纳米材料与生物传感技术，特别是基于表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）的生物标志物检测。前列腺癌（Prostate Cancer, PCA）是男性常见的恶性肿瘤之一，早期诊断对提高治疗效果至关重要。肌氨酸（Sarcosine）已被证实为前列腺癌的早期尿液生物标志物。然而，现有的肌氨酸检测方法存在灵敏度低、操作复杂等问题。因此，本研究旨在开发一种新型的酶辅助代谢涂层双金属纳米硅材料，作为SERS基底，用于前列腺癌的早期筛查。
研究团队利用活体硅藻（Thalassiosira pseudonana）通过两阶段培养过程，在其硅藻壳（frustules）上涂覆双金属纳米颗粒（Au/Cux）。首先，硅藻在含有氯金酸（HAuCl4）和硅酸钠的培养基中生长3天，随后转移到含有铜纳米颗粒前体的新鲜培养基中进行第二阶段的培养。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）分析监测纳米颗粒的合成过程。
研究团队设计了一种带有硅藻肽标签的肌氨酸氧化酶（Sarcosine Oxidase, SOX），用于特异性识别肌氨酸并定向固定在硅藻壳上。通过硅藻肽标签的亲和性，SOX酶被高效固定在双金属纳米颗粒涂层的硅藻壳上，形成单一的生物纳米颗粒（BioNPs）。
研究团队通过3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化实验验证了双金属纳米颗粒涂层的硅藻壳的过氧化物酶活性。结果表明，双金属涂层的硅藻壳表现出显著的催化活性，比单一金属涂层的硅藻壳和悬浮的双金属纳米颗粒分别提高了12.37倍和3.25倍。
研究团队构建了一个纳米酶/天然酶级联反应系统，通过SOX催化肌氨酸脱甲基化生成过氧化氢（H2O2），随后H2O2作为底物被双金属纳米颗粒涂层的硅藻壳催化氧化TMB。通过紫外-可见光谱和拉曼光谱检测TMB的氧化产物，实现了对肌氨酸的高灵敏度检测。
研究团队利用633 nm激光激发双金属纳米颗粒涂层的硅藻壳，通过SERS技术检测肌氨酸。结果表明，BioNPs在肌氨酸浓度低至10^-8 M时仍能检测到拉曼信号，表现出极高的灵敏度。
本研究成功开发了一种基于活体硅藻的双金属纳米颗粒涂层硅藻壳，作为SERS基底用于前列腺癌早期筛查。该纳米材料具有高催化活性和高灵敏度，能够有效检测尿液中的肌氨酸。此外，通过硅藻肽标签固定SOX酶的方法显著提高了酶的稳定性和催化效率。该研究为前列腺癌的早期诊断提供了一种新的非侵入性检测方法，具有重要的科学价值和应用前景。
本研究还探讨了双金属纳米颗粒涂层的硅藻壳在临床样本中的应用，验证了其在真实尿液样本中的检测能力。结果表明，BioNPs能够有效区分前列腺癌患者和健康个体的尿液样本，具有较高的特异性和灵敏度。此外，研究团队还开发了一种基于硅藻肽标签的酶固定方法，为其他生物传感器的开发提供了参考。
本研究为前列腺癌的早期诊断提供了一种新的非侵入性检测方法，具有重要的科学价值和应用前景。通过开发基于活体硅藻的双金属纳米颗粒涂层硅藻壳，本研究不仅提高了肌氨酸检测的灵敏度和特异性，还为纳米材料和生物传感器的开发提供了新的思路。此外，该研究还为其他疾病的早期诊断提供了参考，具有广泛的应用潜力。