一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统的制作方法

1.本发明属于生物医疗检测技术领域，具体涉及一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统。


背景技术：

2.癌症发生的实质是dna中特定遗传和表观遗传缺陷的积累，导致基因表达的异常，此时细胞的生长方式及凋亡途径不受控制，这种细胞即为癌细胞。癌细胞的持续增长会促使新血管的形成，这为癌细胞自身的转移提供了通道，癌症的病情相当复杂包含有200多种并可能作用于人体60多个器官，癌症的早期发生基本比较单一，但到中期和晚期很容易发生多发性转移到其他器官，此时癌症的治疗已经到了非常棘手的阶段，治愈率几乎为零，故及时发现癌症并在癌症初期采用各种医疗手段进行治疗，是目前对癌症的最佳治疗途径。
3.肿瘤标志物可以是生物分子构成的基本单元，包括特定突变或易位的dna、rna，蛋白质（即：激素、抗体、致癌基因、抑癌基因、同工酶等）。这些物质本身在人体内是正常存在的，癌症发生后，其对应的肿瘤标志物在人体血液中的浓度会发生巨大的改变，并反应着癌症的增殖过程。故肿瘤标志物可以作为癌症早期检测、癌症病情监测及治疗效果评价最有价值的工具之一。
4.人体血清中肿瘤标志物的浓度通常很低，当人体血清中其浓度超过浓度阀值并显著升高时，则人体患有癌症的可能性会逐渐增加。血清肿瘤标志物(tm)检测在临床早期诊断肿瘤方面己广泛应用，在病程检测与疗效评价中也有重要意义。但仍有两个缺点制约其在临床诊断中的应用：一是由于血液中标志物的信号通常很低，约有20％的肿瘤患者在早期并不能检测到诊断所需的tm，待血液浓度达到临床诊断值时己错过了最佳的诊治时机；二是tm应用的特异性差，有许多病理／生理如腹水、炎症、子宫内膜异位症等非癌症因素都可引起tm的异常升高，早期肿瘤的标志物信号便被埋没在这些噪声信号中无法鉴别出来，tm应用的特异性差，应用标志物进行肿瘤的早期检测必需提高其检测方法的灵敏度、特异性，在极大程度上妨碍了测量血液中tm的有效性和可靠性，影响了早期肿瘤的检出率。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统，通过超声信号对检测试样的血清肿瘤标志物信号产生放大作用，增强早期肿瘤标志物的相对信号强度，待检样品被捕获探针捕获，通过超分子材料、电活性材料和纳米材料等富集和放大信号，并将信号转换为电化学信号，确立电信号与待检标准品的浓度线性关系，最终实现待检样品的定量检测，可有效地提高早期癌检测的灵敏度和特异度。
6.本发明的目的是这样实现的：一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统，包括试样，包括超声信号发生组件和电极，所述超声信号发生组件通过超声探头作用于试样，所述电极通过捕获探针捕获试样中
的肿瘤标志物，所述捕获探针和电极将信号进行富集和放大处理后传送至电化学工作站，并将信号转换为电化学信号；所述超声信号发生组件包括超声信号发射器和振荡器，所述超声信号发射器产生的脉冲信号通过驱动电路进行放大，放大后的脉冲信号经振荡器的自激振荡回路激励振荡器的压电陶瓷片产生超声信号输出，所述的超声信号作用于试样以增强肿瘤标志物的相对信号强度。
7.优选的，所述电化学工作站确立电信号与试样的浓度线性关系，通过电化学工作站的显示器显示，对试样进行定量检测。
8.优选的，所述超声信号发生组件输出的超声信号频率为1mhz，输出功率调节范围为0～2w/cm2，超声处理时间为0
‑
5min。
9.优选的，所述捕获探针采用与试样核酸互补的核酸探针，通过碱基配对作用捕获试样的目标序列并进行检测，所述捕获探针采用单链dna探针、四面体dna探针、肽核酸探针或结合抗体识别的核酸探针的任一种。
10.优选的，所述捕获探针和电极形成电化学生物传感器，所述电化学生物传感器采用信号放大策略将信号进行富集和放大，所述信号放大策略利用核酸扩增技术、dna纳米技术或超分子材料中的任一种。
11.优选的，所述电极采用玻碳电极，所述电极上修饰聚硫堇和纳米金以扩增电信号。
12.优选的，所述的超声波信号发生组件作用于试样时，在试样的液体环境中产生微泡w，当微泡受到低功率超声作用时，发生稳态空化，产生一个球面形的力辐射施加到试样的细胞膜表面上，使细胞膜表面的一定区域震动，该震动频率与微泡w的震动频率相同，当空化核的震动频率接近细胞膜表面的固有频率时，由于细胞膜表面产生共振，细胞膜表面极易发生破坏，产生声孔，此时，由于微泡w震动引起液体的径向速度矢量的幅度u为：u=w2·
w
min
/tl2；其中w为微泡的半径(5
×
10
‑6‑5×
10
‑5cm)，l为微泡与细胞膜表面的距离(cm)，w
min
为空化核急速收缩时微泡的半径(cm)，t为超声周期。
13.优选的，液体相对于细胞膜表面的动量p满足：p=ρu，其中ρ为液体的密度。
14.优选的，液体对细胞膜施加的力f为：f=ρ(2w
·
w
min
·
w
max
w2·
w
max
)/tl2。
15.优选的，所述的超声波信号发生组件的输出频率t满足：t=2π（m/k）
1/2
；其中k为单位体积液体的刚度，m为单位体积液体的质量。
16.所述的电化学工作站中包括有用于对试样中的肿瘤标志物进行分期的算法模块，所述算法模块对肿瘤标志物进行分期的算法包括如下步骤：s1、对原始的数据集划分为六个二分类中的找到最优特征；s2、使用rfe进行进一步的特征选择降低特征数据，调整阈值，使得选出当前的最优特征，使得macc最优；s3、使用backfs删除冗余特征，同时使用lasso或ridge模型进行回归建模，用逻辑回归进行分类建模。
17.优选的，s1中，用lasso算法分别对六个二分类问题进行训练，调节lasso的alpha参数，用六个二分类子集的并集建立预测模型，以使得此时的macc最优。
18.优选的，所述的留个二分类子集分别为ⅰvsⅱ、ⅰvsⅲ、ⅱvsⅲ、ⅰvsⅱ&ⅲ、ⅱvsⅰ&ⅲ、ⅲvsⅰ&ⅱ，如ⅰvsⅱ代表的是ⅰ期和ⅱ期进行二分类，ⅰvsⅱ&ⅲ代表的ⅰ期、ⅱ期和ⅲ期之
间的二分类。
19.优选的，s3中，在用lasso删除参数向量为零的特征时，采用多个子数据集进行统一调参，避免多个子数据集再重新调参冗余操作。
20.优选的，所述的数据集从癌症基因图谱项目中获取。
21.优选的，采用五种分类器中预测准确率最高的结果作为预测的准确率macc，所述的五种分类器包括k近邻、决策树、朴素贝叶斯、逻辑回归、支持向量机。
22.优选的，采用拟合优度r2来定量的评价特征子集的回归模型的拟合程度，拟合优度用来评估回归的直线相对于观测值的拟合程度，拟合优度r2满足：r2=1
‑
ss
r
/ss
t
；其中ss
r
表示真实值和预测值差的平方和，用于衡量真实值和预测值的误差，ss
t
表示真实值和预测值差的平方差，用于衡量离散程度，ss
r
/ss
t
用于排除离散带来的影响，r2越接近于1时，表示模型的拟合程度越好。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、本发明提供的一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统，通过超声信号对检测试样的血清肿瘤标志物信号产生放大作用，增强早期肿瘤标志物的相对信号强度，区分癌组织与正常组织，仅提高肿瘤的标志物信号，可有效地提高早期癌检测的灵敏度和特异度。
24.2、本发明提供的一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统，待检样品被捕获探针捕获，通过超分子材料、电活性材料和纳米材料等富集和放大信号，并将信号转换为电化学信号，确立电信号与待检标准品的浓度线性关系，最终实现待检样品的定量检测。
25.3、本发明提供的一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统，基于lasso和递归特征消除的回归特征选择算法，首先使用lasso对数据集进行预训练，得到每一个特征的模型重要程度，对原始的数据进行稀疏化，减少数据的特征，接着又使用了递归特征消除来递归的删除贡献程度低的一些特征，最后使用了backfs进行删除冗余的特征选出最优的特征子集。
附图说明
26.图1是本发明一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统结构示意图。
27.图2是本发明一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统的超声信号发射器示意图。
28.图中：1、超声信号发生组件；11、超声信号发射器；12、驱动电路；13、振荡器；2、超声探头；3、试样；4、捕获探针；5、电极；6、电化学工作站；7、显示器。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1超声以波的形式在介质中传播，挤压并拉伸细胞膜的分子结构并在细胞膜上产生了一些列的微泡，这些微泡在超声所产生的压力下、或与超声发生共振时便会破裂，使细胞
膜上出现瞬时或是稳态的空隙和崩塌，在相应位置上形成了空洞，即声孔，该过程称是由超声的空化机制所产生的效应。tm是位于细胞内或细胞表面的糖蛋白，可从细胞表面脱落或由胞内释放到胞外溶质中。有研究表明超声空化效应可在动物巧细胞膜上产生110nm的空洞，足以使tm通过，肿瘤细胞与正常细胞中tm的含量不同，tm通过这些空洞，顺浓度梯度由胞内向胞外释放，从而引起tm信号的放大。超声除可通过空化机制增加细胞膜通透性，还可使癌细胞死亡、裂解，致使胞内tm溶出、释放，增强了所检测到tm的信号，超声不仅能使肿瘤细胞死亡，还能大大削减了肿瘤的增殖能力和侵袭能力。
31.结合图1和图2，一种提高肿瘤标志物准确性的检验系统，包括试样3，包括超声信号发生组件1和电极5，所述超声信号发生组件1通过超声探头2作用于试样3，所述电极5通过捕获探针4捕获试样3中的肿瘤标志物，所述捕获探针4和电极5将信号进行富集和放大处理后传送至电化学工作站6，并将信号转换为电化学信号，所述电化学工作站6确立电信号与试样3的浓度线性关系，通过电化学工作站6的显示器7显示，实现对试样3进行定量检测。
32.作用捕获试样3的目标序列并进行检测，所述捕获探针4采用单链dna探针、四面体dna探针、肽核酸探针或结合抗体识别的核酸探针的任一种，所述捕获探针4和电极5形成电化学生物传感器，所述电化学生物传感器采用信号放大策略将信号进行富集和放大，所述信号放大策略利用核酸扩增技术、dna纳米技术或超分子材料中的任一种，具体的，所述电极5采用玻碳电极，所述电极5上修饰聚硫堇和纳米金以扩增电信号。
33.应用纳米材料扩增信号，构建检测肿瘤标志物的电化学生物传感器，采用夹心型双信号放大电化学生物传感器，采用聚硫堇/金纳米颗粒为免疫探针信号放大元，纳米金/壳聚糖/还原氧化石墨烯为基底信号放大元，优化了传感器构建及癌胚抗原电化学性能的条件。具体的：在裸的玻碳电极上依次修饰还原氧化石墨烯、壳聚糖和纳米金作为信号放大元，再依次修饰一抗，牛血清蛋白，癌胚抗原；在二抗上标记了聚硫堇/金聚合材料作为信号放大分子，通过形成抗体
‑
抗原的识别作用对癌胚抗原进行特异性的识别，夹心型双信号放大电化学生物传感器具有低的检测限，高的灵敏度，良好的选择性、重现性和稳定性，因信号放大的电极平台和免疫探针所用的纳米材料具有良好生物相容性、比表面积大、电子传递速率快。
34.还可以采用分子印迹法构建癌胚抗原和甲胎蛋白电化学生物传感器，聚硫堇/金纳米颗粒为信号放大元，多巴胺为功能单体，肿瘤标志物为模板分子，电聚合的办法直接制备分子印迹聚合物，具体的：在玻碳电极表面修饰聚硫堇，并修饰纳米金作为信号的放大元，以癌胚抗原为模板分子，多巴胺为功能单体，采用电聚合方法直接在已修饰好的电极上制备分子印迹聚合物，最后用氢氧化钠洗脱癌胚抗原模板分子制得癌胚抗原的分子印迹聚合物电化学生物传感器，采用三电极体系，铁氰化钾为信号分子，通过分子印迹特异识别癌胚抗原，所构建的癌胚抗原的分子印迹聚合物电化学生物传感器具有高的特异性、宽的检测范围、低的检测限、优异的重复性和好的稳定性。
35.所述超声信号发生组件1包括超声信号发射器11和振荡器13，所述超声信号发射器11产生的脉冲信号通过驱动电路12进行放大，放大后的脉冲信号经振荡器13的自激振荡回路激励振荡器13的压电陶瓷片产生超声信号输出，所述的超声信号作用于试样3以增强肿瘤标志物的相对信号强度，所述超声信号发生组件1输出的超声信号频率为0
‑
1mhz，输出功率调节范围为0
‑
2w/cm2，超声处理时间为0
‑
5min。
36.所述电化学工作站6通过对捕获探针4和电极5产生的电化学信号进行数据处理分析，判断试样3中的多种肿瘤标志物增量是否最大，若否，则控制超声信号发生组件1调整超声参数继续进行监测直至肿瘤标志物增量增至最大；若所述电化学工作站6判断出肿瘤标志物增量已增至最大，获取此时的超声参数组合，确立电信号与试样3的浓度线性关系，通过电化学工作站6的显示器7显示，对试样3进行定量检测。
37.通过超声信号对检测试样的血清肿瘤标志物信号产生放大作用，增强早期肿瘤标志物的相对信号强度，区分癌组织与正常组织，仅提高肿瘤的标志物信号，可有效地提高早期癌检测的灵敏度和特异度，待检样品被捕获探针捕获，通过超分子材料、电活性材料和纳米材料等富集和放大信号，并将信号转换为电化学信号，确立电信号与待检标准品的浓度线性关系，最终实现待检样品的定量检测。
38.实施例2在实施例1 的基础上，所述的超声波信号发生组件作用于试样时，在试样的液体环境中产生微泡w，当微泡受到低功率超声作用时，发生稳态空化，产生一个球面形的力辐射施加到试样的细胞膜表面上，使细胞膜表面的一定区域震动，该震动频率与微泡w的震动频率相同，当空化核的震动频率接近细胞膜表面的固有频率时，由于细胞膜表面产生共振，细胞膜表面极易发生破坏，产生声孔，此时，由于微泡w震动引起液体的径向速度矢量的幅度u为：u=w2·
w
min
/tl2；其中w为微泡的半径(5
×
10
‑6‑5×
10
‑5cm)，l为微泡与细胞膜表面的距离(cm)，w
min
为空化核急速收缩时微泡的半径(cm)，t为超声周期。
39.液体相对于细胞膜表面的动量p满足：p=ρu，其中ρ为液体的密度。
40.液体对细胞膜施加的力f为：f=ρ(2w
·
w
min
·
w
max
w2·
w
max
)/tl2。
41.所述的超声波信号发生组件的输出频率t满足：t=2π（m/k）
1/2
；其中k为单位体积液体的刚度，m为单位体积液体的质量。
42.以确定最优的超声信号输出频率。
43.实施例3判断癌症的发展阶段的恶化程度，临床医学上通常有两个评价指标：一个是分期，另一个是分化度。肿瘤的发育阶段通常由tnm系统当中的三个数字来决定，其中t代表的是肿瘤的大小和对邻近的组织的侵犯程度，n和m分别代表的是局部淋巴结和远处的淋巴结的转移程度。肿瘤的分期是常用的一种衡量肿瘤的恶化程度的一种标准方法，分为ⅰ期、ⅱ期、ⅲ期和ⅳ期以及各种亚期，肿瘤分期的诊断目前依然依赖于医生的手动诊断，并无专业的计算机计算程序。
44.所述的电化学工作站中包括有用于对试样中的肿瘤标志物进行分期的算法模块，所述算法模块对肿瘤标志物进行分期的算法包括如下步骤：s1、对原始的数据集划分为六个二分类中的找到最优特征；s2、使用rfe进行进一步的特征选择降低特征数据，调整阈值，使得选出当前的最优特征，使得macc最优；s3、使用backfs删除冗余特征，同时使用lasso或ridge模型进行回归建模，用逻辑回归进行分类建模。
45.s1中，用lasso算法分别对六个二分类问题进行训练，调节lasso的alpha参数，用
六个二分类子集的并集建立预测模型，以使得此时的macc最优，所述的留个二分类子集分别为ⅰvsⅱ、ⅰvsⅲ、ⅱvsⅲ、ⅰvsⅱ&ⅲ、ⅱvsⅰ&ⅲ、ⅲvsⅰ&ⅱ，如ⅰvsⅱ代表的是ⅰ期和ⅱ期进行二分类，ⅰvsⅱ&ⅲ代表的ⅰ期、ⅱ期和ⅲ期之间的二分类。
46.s3中，在用lasso删除参数向量为零的特征时，采用多个子数据集进行统一调参，避免多个子数据集再重新调参冗余操作，所述的数据集从癌症基因图谱项目中获取。
47.采用五种分类器中预测准确率最高的结果作为预测的准确率macc，所述的五种分类器包括k近邻、决策树、朴素贝叶斯、逻辑回归、支持向量机。
48.采用拟合优度r2来定量的评价特征子集的回归模型的拟合程度，拟合优度用来评估回归的直线相对于观测值的拟合程度，拟合优度r2满足：r2=1
‑
ss
r
/ss
t
；其中ss
r
表示真实值和预测值差的平方和，用于衡量真实值和预测值的误差，ss
t
表示真实值和预测值差的平方差，用于衡量离散程度，ss
r
/ss
t
用于排除离散带来的影响，r2越接近于1时，表示模型的拟合程度越好。
49.在一个超声周期开始时，不对空化核及细胞膜进行受为作用，而在1/4个周期时，由于空化核的膨胀而产生对细胞膜向内的机械力，引起细胞膜局部凹陷，膜结构变得比较松散；而在3/4个周期时，由于空化核的急速收缩，对细胞膜产生一个向外拉的机械力，使得细胞膜局部隆起，同样使得膜结构变得疏松。
50.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。