据世界卫生组织统计，全球每年有超过37万例口腔癌病例，对医疗系统和个体造成了巨大的负担。早期口腔癌（I期和II期）通常局限于口腔的原发部位，预后较好。相反，晚期口腔癌（III期和IV期）则伴随着癌细胞向更深层组织、淋巴结或远端器官的扩散，死亡率显著增加。这种差异突显了早期预警和及时治疗对遏制口腔癌患者疾病进展和提高总体生存率的重要性。然而，由于口腔癌病灶位置隐蔽（如舌根和口底）和症状不明显（如轻微疼痛、和咀嚼困难），早期口腔癌容易被忽视。因此，当前的研究致力于识别用于初筛的生物标志物，并开发创新的口腔癌预警策略以对抗这一严重的恶性肿瘤。令人鼓舞的是，探索性病例对照研究表明，口腔癌患者的唾液中肿瘤坏死因子α（TNF-α）显著失调，反映了伴随肿瘤发生的炎症和免疫紊乱。然而，当前TNF-α检测方法（如酶联免疫吸附法和流式细胞术）面临诸多挑战，包括需要专业医务人员操作以及检测过程繁琐且耗时等。因此，有必要探索一种便捷、灵敏、经济的TNF-α检测策略，以提升口腔癌患者生存率并减轻医疗负担。
2024年11月24日，华中科技大学基础医学院药理学系陈伟教授团队在口腔癌早期预警领域取得了重要进展，成功设计出一款智能护齿器系统——“Nepenthes-inspired saliva-amassing low-dosed risk-factor alerted detecting (SALAD) mouthguard”，相关研究成果发表于Chemical Engineering Journal（IF=13.4）。
该团队通过模拟猪笼草唇缘的微观结构，创新性地设计了具有特殊凸起结构的桥状液体引流模块（LA模块）。这一模块被集成到护齿器凹槽中，展现出了卓越的唾液定向（从供给侧到接收侧）收集能力（液体在1秒内填满凹槽，流量约为164 ± 11 μL），证明了其在收集口腔唾液中的生物标志物用于疾病早期预警和健康监测中的应用潜力。进一步，该团队改进了传统的酶联免疫吸附法（ELISA），开发出一种基于纳米聚集诱导发光剂（N-AIEgen）的新型NA-ELISA方法。该方法通过将N-AIEgen与TNF-α特异性抗体结合，利用一台家用版紫外灯实现了可视化的荧光检测和定量分析。令人欣慰的是，基于SALAD护齿器的NA-ELISA方法能够有效检测口腔癌患者唾液中的TNF-α（检测限=19.5 pg/mL），并在复杂环境中保持良好的稳定性和重复性（图1）。
图1：SALAD护齿器系统用于口腔癌早期预警的工作原理示意图。
1. 液体收集（LA）模块的设计、制造和表征（图2）。
图2：LA模块的设计、制造和表征。（A）猪笼草的光学图像（i）及其唇缘结构的放大截面图（ii）。（B）液滴从供给侧流向接收侧的光学图像。（C）唇缘的扫描电镜（SEM）图像（i）及详细结构的放大图（ii）。（D）唇缘液体收集（i）和排水（ii）的示意图。（E）LA模块制造过程及尺寸展示。（F）LA模块的顶部视图（i）和侧视图（ii）。（G）LA模块中液体的侧向（i）和正向（ii）排水过程示意图。（H）LA模块上的DPA凸起的显微镜图像。（I）不同LA模块的液体收集体积统计。（J）不同LA模块的液体收集效率统计。（K）带DPA凸起的LA模块排水进程光学图像。（L）带反向DPA凸起的LA模块排水进程光学图像。
2. 将LA模块集成到SALAD护齿器上（图3）。
图3：将LA模块集成到SALAD护齿器上。（A）PDMS护齿器的设计与制造。（B）PDMS护齿器的顶部视图（i）及凹槽的放大图（ii）。（C）PDMS护齿器的横截面示意图（沿B面黄色虚线切割）。（D）PDMS护齿器的照片，红色虚线标出侧面轮廓。（E）集成LA模块的SALAD护齿器的顶部视图（i）及LA模块的放大图（ii）。（F）SALAD护齿器的连续扭转过程。（G）SALAD护齿器的持续拉伸过程。（H）SALAD护齿器的循环拉伸过程。（I）SALAD护齿器的压缩过程。（J）SALAD护齿器的液体收集效果，红色箭头表示液体的运动方向，红色虚线表示液体在凹槽中的积累。
3. N-AIEgen的制备及其在生物标志物检测中的应用（图4）。
图4：N-AIEgen的制备及其在生物标志物检测中的应用。（A）N-AIEgen的制备。（B）透射电子显微镜（TEM）图像。（C）N-AIEgen的动态光散射（DLS）测量结果。（D）N-AIEgen冻干粉末在365 nm紫外光照射下的照片，未照射（i）和照射后（ii）。（E）N-AIEgen在不同DMSO/H2O混合溶液中的照片（H2O体积分数从0%到100%，从左到右每20%递增）在365 nm紫外光照射下的照片。（F）N-AIEgen在不同DMSO/H2O混合溶液中的荧光强度（H2O体积分数从0%到100%，从左到右每20%递增）及数据统计（G）。（H）N-AIEgen的激发和发射光谱（蓝色箭头表示N-AIEgen的斯托克斯位移范围）。（I）基于NA-ELISA的吸附微孔板辅助检测标准生物标志物（TNF-α）水平的示意图。（J）基于NA-ELISA的吸附微孔板辅助检测标准生物标志物（TNF-α）浓度的结果。
4. 基于SALAD护齿器的NA-ELISA方法用于检测口腔癌细胞来源的TNF-α（图5）。
图5：基于SALAD护齿器的NA-ELISA方法用于检测口腔癌细胞来源的TNF-α。（A）PDA修饰的SALAD护齿器吸附捕获抗体的示意图。修饰（B）和未修饰（C）PDA的SALAD护齿器SEM图像。（D）PDA修饰的SALAD护齿器吸附FITC标记的捕获抗体后的荧光强度统计分析。（E）PDA修饰和未修饰的SALAD护齿器吸附FITC标记的捕获抗体的荧光统计分析。（F）基于SALAD护齿器的NA-ELISA检测CAL-27细胞来源的TNF-α的示意图。（G）基于SALAD护齿器的NA-ELISA检测细胞来源的TNF-α的荧光照片和统计数据（H）。（I）使用传统ELISA检测细胞来源的TNF-α的统计数据。（J）基于SALAD护齿器的NA-ELISA测量不同处理时间点从CAL-27细胞上清液中捕获的TNF-α荧光数据。（K）SALAD护齿器在模拟动态口腔环境中收集液体的示意图。（L）SALAD护齿器与常规护齿器在模拟口腔动态环境中的液体收集效率。（M）在模拟动态口腔环境中，基于SALAD护齿器的NA-ELISA检测细胞来源的TNF-α的荧光照片和统计数据（N）。（O）CCK-8评估SALAD护齿器与Hacat细胞（O）和CAL-27细胞（P）在48小时内的生物相容性。
5. 基于SALAD护齿器的NA-ELISA方法用于检测口腔癌肿瘤组织来源的TNF-α（图6）。
图6：基于SALAD护齿器的NA-ELISA方法用于检测口腔癌肿瘤组织来源的TNF-α。（A）建立体内模拟口腔癌模型的示意图。（B）口腔癌肿瘤模型的照片。（C）体外模拟口腔癌模型的整体照片（i）和下半部分的放大照片（ii）。常规护齿器（D）和SALAD护齿器（E）在体内模拟口腔癌模型中的液体收集情况。基于SALAD护齿器的NA-ELISA方法检测肿瘤组织来源的TNF-α示意图（F），荧光照片（G）及统计数据（H）。（I）健康成人志愿者佩戴SALAD护齿器后，将TNF-α溶液滴入口腔的照片。（J）健康成人佩戴SALAD护齿器辅助NA-ELISA方法检测外部滴入的标准TNF-α样本的荧光照片及统计数据（K）。
6. SALAD护齿器的用户依从性（图7）。
图7：SALAD护齿器的用户依从性。（A）SALAD护齿器在湿润环境（i）和干燥环境（ii）中的示意图。在模拟湿润口腔环境中的SALAD护齿器重量变化（B）和在干燥外部环境中的重量变化（C）。（D）志愿者佩戴SALAD护齿器的照片。志愿者对口腔护齿器使用体验的问卷统计（评分范围为1-10，1表示低满意度，10表示高满意度，E）以及对日常生活影响的问卷统计（评分范围为1-10，1表示低影响，10表示高影响，F）。（G）志愿者佩戴SALAD护齿器后提供的关键词统计分析。
总而言之，陈伟教授团队开发的SALAD护齿器系统提供了一种原位、敏感且便捷的生物标志物检测方法，展现了其作为早期预警口腔癌及其他口腔疾病的自助家庭设备的巨大潜力。相关工作近期发表在Chemical Engineering Journal上，华中科技大学同济医学院基础医学院药理学系博士研究生刘媛为文章的第一作者，华中科技大学同济医学院基础医学院陈伟教授为通讯作者。
Authors:Yuan Liu, Xiuli Chen, Guanyue Li, Jiarong Xu, Qi Zeng, Rengui Xu, Yusheng Gong, Wei Chen*
Title:Nepenthes-inspired Saliva-Amassing Low-dosed risk-factor Alerted Detecting (SALAD) mouthguard for forewarning of the intraoral cancer
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724092933
【作者简介】
陈伟，华中科技大学基础医学院药理学系教授、博士生导师。研究方向：智能器件，仿生修饰，转化医学，诊断治疗，药物可控释放，长效药物制剂。
