[发明专利]镁锌氧化物纳米结构修饰的生物传感器及其用于监测细胞群对试剂的响应

说明书

镁锌氧化物(MZO)纳米结构修饰的石英晶体微天平(MZO_nano‑QCM)利用MZO基纳米结构的独特传感能力和生物相容性，并将这些与体声波(BAW)装置的动态阻抗谱能力相结合以形成实时、非侵入性且无标记的细胞监测生物传感器，尤其分别用于检测细菌株和真菌株以及癌细胞对各种抗生素和抗真菌药物以及抗癌药物的易感性和耐受性，其中所述装置包括QCM。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明是在国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)化学、生物工程、环境和运输系统(Chemical,Bioengineering,Environmental,and TransportSystems，CBET)部门授予的基金号为NSF-1264508的政府资助下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

本发明涉及生物传感器，特别涉及镁锌氧化物(MZO)纳米结构-修饰的生物传感器和生物传感器的应用，包括监测细胞群对试剂的响应。

根据世界卫生组织，抗微生物药物耐受性(AMR)已经成为全球健康问题的主要威胁，它有可能成为下一个“流行病”。迫切需要灵敏的诊断监视工具。例如，约有3.5％的新的和20.5％的以前治疗过的结核病(TB)病例涉及多重耐药(MDR)TB。由于缺乏有效的药敏试验(DST)，只有20％的MDR-TB病例得到了适当的治疗，这助长了MDR-TB的继续传播和不必要的痛苦和死亡。由于结核分枝杆菌(M.tuberculosis)细菌生长缓慢，标准的琼脂/液体方法通常需要4-8周才能获得结果。较新的DST技术已经提高了测试的可靠性和速度，但仍然存在明显缺点而限制了广泛应用。表型检测方法平均需要四周，程序必须由训练有素的技术人员进行。分子方法(如聚合酶链反应(PCR)检测耐药突变)可以减少检测时间，但它们是病原体特异性的，并且不能可靠地检测到所有存在的突变或新的机制。而且，它们不适用于DST。迫切需要新技术来快速经济地检测AMR并确定用于治疗的适当抗生素。

据统计，随着发展中国家人口老龄化和生活方式的变化，癌症已成为全球性流行病。根据世界卫生组织(WHO)，2012年全世界有1410万新癌症病例和820万癌症相关死亡病例。到2035年，新的癌症病例数量预计将增加到2400万。癌症死亡率高在很大程度上是因为对药物治疗的响应率低。越来越多的人认识到，即使在相同类型的肿瘤中，人类癌症在遗传和表观遗传方面都具有高度变异性，这限制了成功的药物治疗。限制治疗功效的分子事件的实例包括药物转运、药物结合位点突变、存活机制的激活、以及激活治疗靶标的替代和反馈途径。由于这些不同的机制，相同类型的个体肿瘤通常对特定的药物治疗具有非常不同的响应。即使对于靶向抗癌药物，如肺癌中的小分子表皮生长因子受体(EGFR)抑制剂，其替代生物标志物可用于预测治疗结果，但其它可变因素可限制治疗结果。因此，一般癌症患者群体中给定抗癌药物的典型响应率低于20％。迫切需要开发适当的新筛选方法来预测个体化响应。

新一代测序技术的最新进展已经导致使用癌症基因组信息来指导治疗计划的精确药物主动性，这已经取得了一些成功。然而，肿瘤，特别是晚期癌症常累积突变和表观遗传改变的巨大负担，使得很难确定主要的癌症驱动事件并设计成功的疗法。因此，迫切需要新的补充技术来指导临床医生为个体癌症患者确定最合适的治疗计划。多年来已开发出许多技术来促进抗癌药物响应的体外测试。公认的方法包括在免疫缺陷小鼠中建立癌细胞系、癌症类器官/球状体和患者衍生的异种移植(PDX)肿瘤。这些新资源极大地增强了解药物敏感性和耐受性分子机制的能力。然而，这些肿瘤模型需要很长的时间才能建立，通常数月甚至长达一年，之后才能适用于分析治疗响应。而且，需要大的肿瘤样本。目前，它们仍主要用于药物发现和研究目的。因此，非常需要可以用原发性肿瘤的小新鲜活检组织直接确定治疗结果的新技术。我们的生物传感器可以在几分钟至几小时内分析抗癌药物的活性，使其成为预测个体癌症患者治疗结果的实用解决方案。

该文件描述了可解决上述中的至少一些问题和/或其它问题的装置、系统和方法。

发明内容