Biosensor Grafeneg Fleksibel untuk Deteksi Cepat dan Sensitif Sel Kanker Ovarium
Abstract
Deteksi dini kanker ovarium tetap menjadi tantangan kritis, sebagian besar karena gejala tidak spesifik dan ketiadaan alat saringan yang dapat diandalkan. Kami menyajikan biosensor grafeneg hemat biaya dan fleksibel yang diproduksi pada polietilena tereftalat (PET) yang mendeteksi sel tumor beredar (CTC) dengan sensitivitas dan kecepatan tinggi. Sensor membedakan antara medium kultur sel dan suspensi sel kanker ovarium, merespons berbeda terhadap berbagai tipe sel, dan mempertahankan batas deteksi hanya beberapa puluh sel per mililiter. Secara menakjubkan, biosensor memberikan respons listrik yang dapat diukur dalam waktu 5 detik, menawarkan platform yang menjanjikan untuk diagnostik point-of-care yang cepat.
Graphical Abstract
Introduction
Kanker ovarium adalah malignitas ginekologis kedua paling prevalen dan penyebab utama kematian pada wanita dengan kanker ginekologis. Strategi saringan saat ini—penggabungan citra dengan pengujian antigen CA125—menawarkan sensitivitas yang terbatas, terutama dalam penyakit stadium awal, di mana tingkat kelangsungan hidup turun tajam. Tumor stadium awal melepaskan CTC ke dalam aliran darah, menyediakan biomarker non-invasif yang, jika terdeteksi dengan sensitivitas yang cukup, dapat mengubah hasil pasien. Meskipun beberapa teknik imunomagnetik dan mikrofluidik telah dikembangkan, belum ada yang sama dengan spesifisitas tinggi dan waktu putaran yang diperlukan untuk adopsi klinis.
Grafeneg, jaringan dua dimensi dari karbon sp^2-terikat, telah muncul sebagai platform serbaguna untuk biosensing karena konduktivitas listrik yang luar biasa dan luas permukaan yang besar. Perangkat berbasis grafen sebelumnya telah berhasil mengukur biomarker protein seperti CEA dan PSA, namun biosensor grafen fleksibel dan hemat biaya untuk CTC kanker ovarium belum pernah dieksplorasi. Studi ini memperkenalkan sensor grafen/PET yang dibuat tangan yang mengatasi kesenjangan ini dengan menggabungkan fleksibilitas mekanis, respons cepat, dan sensitivitas tinggi.
Materials and Methods
Growth and Transfer of Graphene Film
Grafeneg monolayer disintesis pada folium tembaga melalui deposit asap kimia (CVD). Folium mengalami pembersihan asam klorida selama 5 menit, diikuti dengan cuci air deionisasi dan pengeringan nitrogen. Dalam ruang CVD, suhu ditingkatkan ke 1000 °C dalam atmosfer hidrogen (50 sccm) selama 20 menit, kemudian metana (50 sccm) diperkenalkan untuk 20 menit tambahan untuk menumbuhkan lapisan grafen. Setelah pendinginan, substrat grafen/tembaga dipotong, dilapisi PMMA, dan tembaga diukir dalam 1 M FeCl_3. Stack PMMA/grafén dicuci, ditransfer ke PET, dan PMMA dihapus dengan aseton untuk menghasilkan film grafen/PET.
Fabrication of Graphene-Based Biosensors
Film grafen dipotong menjadi potongan 1 cm×2 cm dan ditransfer ke PET. Dua elektroda pasta perak ditempatkan di tengah. Lubang gel silicone, yang berukuran beberapa milimeter panjang dan lebar dan ~1 mm tinggi, dicetak di sekitar elektroda untuk membuat kolam sel. Sensor yang selesai diverifikasi dengan analyzer semiconductor Agilent 4155B.
Culture of SKOV3 Ovarian Cancer Cells
Sel SKOV3 (didapatkan dari laboratorium publik Rumah Sakit Kedua Afiliasi West China) dibudidayakan dalam medium RPMI-1640 yang dilengkapi dengan 10 % serum domba, dipelihara pada 37 °C dan 5 % CO_2.
Preparation of Cell Solution and Electrical Measurement
Suspensi sel dihaluskan ke konsentrasi yang diinginkan dalam medium kultur. Aliquot 50 µL ditempatkan dalam lubang silicone, dan perubahan arus yang dihasilkan dicatat menggunakan analyzer Agilent 4155B.
Results and Discussion
Film grafen 10 × 10 cm (Gambar 1a) menampilkan kegelapan halus relatif terhadap tembaga polos, mengonfirmasi cakupan grafen. Analisis Raman (Gambar 1b) mengungkapkan puncak G dan 2D pada 1580 cm^−1 dan 2680 cm^−1, sementara rasio I_G/I_2D (<0,5) dan puncak D yang tidak signifikan (Gambar 1c) mengonfirmasi kualitas monolayer dan kepadatan cacat rendah.
a Fotografi tembaga polos (kiri) dan tembaga yang dilapisi grafen (kanan). b Spektrum Raman grafen/tembaga. c Spektrum Raman grafen/SiO_2/Si.
Sensor fleksibel pada PET (Gambar 2) menghasilkan sinyal listrik yang jelas ketika sampel 50 µL ditambahkan ke kolam sel. Arus dasar tetap stabil sebelum penambahan sampel; saat kontak, arus menurun dan menetap pada nilai baru. Respons relatif, didefinisikan sebagai η = (I_0 – I)/I_0 × 100%, adalah 2,96% untuk medium bebas sel dan 37,04% untuk larutan CTC yang mengandung 30 sel/mL, menunjukkan sensitivitas yang terpadu terhadap sel kanker.
Fotografi biosensor grafen/PET.
Pengujian yang dipisahkan waktu (Gambar 3) menunjukkan bahwa larutan CTC 30 sel/mL mencapai respons 5% dalam waktu 2,1 detik, sementara medium pada konsentrasi yang sama hanya menghasilkan perubahan 0,15%. Respons cepat, di bawah 10 detik, mengonfirmasi kesesuaian sensor untuk penggunaan point-of-care.
a Respons listrik untuk medium bebas sel. b Respons untuk larutan kanker 30 sel/mL.
Kami lebih menguji dua garis CTC berbeda (SUDHL8 dan OCILYS) pada 10.000 sel/mL. Meskipun keduanya menunjukkan respons yang dapat diukur, profil arus-waktu mereka sangat berbeda, mengindikasikan bahwa sensor dapat membedakan tipe sel (Gambar 5).
Respons yang bergantung pada waktu untuk (a) sel SUDHL8 dan (b) sel OCILYS.
Terakhir, kami mengevaluasi perilaku bergantung pada konsentrasi sensor menggunakan sel SUDHL8 pada 10 K dan 100 K sel/mL. Konsentrasi yang lebih tinggi menghasilkan perubahan arus yang sedikit lebih kecil, yang mencerminkan sifat isolasi sel yang padat (Gambar 6). Meskipun demikian, sensor mempertahankan respons yang berbeda, menggarisbawahi potensi kuantitatifnya.
a Arus vs. waktu untuk 10 K vs. 100 K sel/mL. b Kurva respons yang sesuai.
Secara kolektif, data menunjukkan bahwa biosensor grafen fleksibel yang dibuat tangan dapat sensitif dan cepat mendeteksi CTC kanker ovarium, membedakan tipe sel, dan mengukur konsentrasi sel—semua dalam hitungan detik.
Conclusion
Kami telah memproduksi biosensor grafen sederhana dan fleksibel pada PET yang mendeteksi CTC kanker ovarium dengan kecepatan dan sensitivitas yang luar biasa. Dengan membandingkan sinyal listrik sebelum dan sesampel, perangkat membedakan medium kanker dari yang bukan kanker, mengidentifikasi garis sel yang berbeda, dan mengukur konsentrasi sel. Platform rendah biaya ini menjanjikan untuk diagnostik point-of-care yang cepat yang dapat meningkatkan deteksi dini dan pemantauan kanker ovarium.
Availability of Data and Materials
Semua data yang relevan disertakan dalam artikel dan file pendukungnya.
