活性硫(RSS)和活性氧(ROS)与氧化还原和氧化应激的生理和病理过程密切相关。RSS的硫化氢(H2S)与癌症、炎症、高血压和神经退行性疾病等多种疾病有关。而ROS中的过氧化氢(H2O2)通常在心血管疾病、炎症、癌症、糖尿病以及肝脏和肾脏疾病中检测到异常水平。值得注意的是，H2O2可以通过H2S显著增强癌症的干预治疗，同时目前的研究表明在氧化应激条件下H2O2具有促进H2S信号通路的作用。因此，为实现从氧化还原信号的角度揭示疾病的发展机制，对实时和原位监测生物样本中H2S和H2O2相互作用的需求日益增长。
华中科技大学肖菲教授和新加坡南洋理工大学段宏伟教授提出一种基于微流控的完全集成式电化学传感器，用于实时动态监测不同生物样品分泌的H2S和H2O2，最新研究发表在顶级期刊Biosensors and Bioelectronics。研究团队通过局部检测人类结直肠癌(CRC)细胞和组织的H2S和H2O2分泌来临床验证RuCu-HHTP传感平台，并评估这些癌组织的化疗敏感性，有助于在早期诊断中发现与H2S和H2O2相关的疾病，以及评估肿瘤进展和预后情况，最终提高精准医学的预测能力。
图1：RuCu-HHTP/GF微电极的制备工艺及电化学传感器集成多通道微流控芯片检测肿瘤细胞和组织中生物分子诱导信号的示意图。
研究团队通过电感耦合等离子体发射光谱证实Ru离子嵌入Cu-HHTP框架。与CF相比，RuCu-HHTP/CF的孔径分布更宽，具有开放多孔互连结构和大表面积等优点，有利于电化学氧化还原反应中的分子扩散。通过循环伏安法(CV)测量和电化学阻抗谱(EIS)测试发现RuCu-HHTP/CF不仅具有优异的反应速率和反应动力学，还具有最低的电荷转移电阻和最佳的电化学动力学性能。同时RuCu-HHTP独特的微观结构具有预富集效应，能够显著增强H2S氧化还原动力学中的电子转移行为。氧化和还原电流信号都随着H2S浓度的增加而显著增加，并呈浓度依赖性(图2AB)。此外，RuCu-HHTP/CF微电极对生物和生理中常见物质具有高抗干扰性(图2CD)。传感器制造和运行的可靠性良好(图2E)、长期稳定性优越(图2F)。
图2：RuCu-HHTP/CF微电极在0.1 M PBS中注入不同配比(A)H2S和(B)H2O2时的电流-时间响应。RuCu-HHTP/CF对这些干扰的相对响应(1 mM)，与目标分析物(C)H2S和(D)H2O2的相对响应相等。(E)基于RuCu-HHTP/CF传感器检测H2S和H2O2的重复性和(F)长期稳定性。
集成RuCu-HHTP/CF微电极的电化学微流控芯片由三层组成，包括PET衬底、PDMS基底上图案化的微流体通道和PET盖(图3A)。该特制芯片采用三电极系统，其中RuCu-HHTP/CF微电极作为WE，Pt和Ag/AgCl电极分别作为CE和RE。将其连接到一个可重复使用的电化学工作站，从而建立一个电化学微流体监测系统，实现多路电化学测量、信号处理和无线传输(图3B和C)。
图3：(A)基于三电极系统的微流控装置结构示意图。(B)电子系统系统级框图。(C)提议的完全集成的电化学微流体传感系统的照片。
研究团队采样荧光双染色法评估RuCu-HHTP/CF的生物相容性。暗场荧光图像显示，细胞在RuCu-HHTP/CF孵育6小时后基本保持活力(图4A)。此外，结合标准细胞计数试剂盒，在RuCu-HHTP/CF孵育12小时后，细胞的存活率保持在90%以上。这些定性和定量分析表明RuCu-HHTP/CF微电极具有良好的生物相容性。
将微电极放置在细胞附近(图4B)，刺激活细胞释放H2S(图4C)。结果证实，增强的安培电流响应源于活细胞分泌的H2S，而无细胞的对照组没有电流响应(图4D)。同样安培电流响应与H2O2生成之间的相关性(图4E)。无线微流控电化学传感器结合RuCu-HHTP/CF微电极获得多种细胞的定量结果揭示了不同类型癌细胞中H2S和H2O2释放的差异。值得注意的是，与正常细胞相比，肿瘤细胞产生更高水平的H2S和H2O2。这种正相关关系在癌症诊断和生物医学研究中具有巨大的潜力和重要意义。
图4：(A) 使用calcein-AM/PI检测不同细胞的荧光图像。(B) RuCu-HHTP/CF微电极监测活细胞时的超分辨率数字显微镜图像。(C)刺激活细胞分泌H2S和H2O2的示意图。(D) 0.25V条件下，RuCu-HHTP/CF对溶液中添加和不添加细胞的L-cys和PAG的电流响应。(E) 0.7V条件下，RuCu-HHTP/CF对溶液中添加和不添加细胞的fMLP和过氧化氢酶时的电流响应。(F)不同细胞释放的H2S和H2O2相关的相对增加电流的直方图。(G)不同CRC解剖组织的数字照片和嵌入肿瘤组织的电化学微流控传感系统。(H)化疗1小时之前和之后，CRC组织分泌的H2S和H2O2相对电流响应的柱状图。
论文信息：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116463
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