Chemical Science：新兴的生物传感和转导技术在即时诊断中的潜在应用

《背景介绍》

随着科研人员对生命科学、分子生物学、纳米技术、光学、电化学等领域认识的加深，近年来涌现了越来越多的生物传感器设计策略，能够为各种人类疾病的床旁即时诊断(point-of- of-care，POC)诊断提供潜在的实际应用。与传统生物传感器相比，新兴的POC生物传感器研究旨在提高传感器的精度、成本效益和时间消耗，以及开发多功能检测策略，以实现在单个设备中多路分析物检测，并实现快速诊断和高通量筛选。近期，新加坡国立大学秦俊杰博士与姚少钦教授结合近年来CRISPR技术、电化学生物传感、光学或光谱生物传感等方面的研究进展，综述了近五年新兴POC的识别技术和转导策略，从将新兴生物分析工具推广到实际的POC检测和诊断应用的角度，总结了近年来该领域的关键进展，并对未来的POC发展和面临的挑战提出了自己的看法。相关成果以“Emerging Biosensing and Transducing Techniques for Potential Applications in Point-of-Care Diagnostics”为题发表在国际化学权威杂志Chemical Science上（DOI: 10.1039/D1SC06269G）。

研究的主要内容介绍：

如图1所示，POC装置通常由五个部分组成:待测分析物、探针、传感工具、传导和信号读出设备。简单地说，生物目标首先被探针以一种选择性的方式识别。接下来，这个识别过程被一个特定的传感器转换成体外信号，然后将结果显示在一个数字平台上。总的来说，POC器件的选择性取决于第一步，而灵敏度主要取决于后续步骤。

2020年诺贝尔化学奖授予了Charpentier和Doudna，以表彰他们在CRISPR的发现及其在基因编辑应用的探索。自CRISPR的开创性发现以来，相关的生物技术显著提高了我们对各种人类疾病的快速和敏感诊断能力。CRISPR有潜力实现理想的POC设备所需的上述五种组件中的两种(即识别和转导)。作者在本综述中简要讨论了包括Cas9、Cas12、Cas13在内的不同CRISPR-Cas体系和用于POC检测的核酸裂解活性。接下来，总结了它们在即时检测中利用靶内和侧枝裂解活性检测核酸、小分子、金属离子和蛋白质的最新进展，以及CRISPR在电化学和光学集成POC检测中的作用。最后，在对多种方法进行了归纳性总结后提出了CRISPR方法的通用设计策略，强调了基于CRISPR的生物传感发展面临的挑战和巨大的前景。

电化学传感领域的发展已经相当成熟，但近年来，随着纳米技术、生物技术和其他目标识别和信号转导的新兴策略的成功融合，电化学为基础的POC诊断技术得到了加速发展，并获得了新的生命。在本节中，作者介绍了多种用于检测不同目标物的电化学传感器的设计策略和相关方法在POC领域的应用。

作为一种相对成熟的转导技术，电化学技术已经应用于实际的POC应用，如血糖仪。然而，将电化学技术应用于某些急需的诊断领域仍有一些挑战需要克服。首先，由于电化学信号的敏感性，体液中无关分子的干扰对结果的准确性有很大的影响。然而，大多数生物标志物的丰度低于干扰分子，这导致缺乏用于许多疾病和癌症的早期筛查的床旁传感器。其次，目前POC实现多路检测的发展目标还存在问题。因此，在本部分，作者重点介绍了一系列新开发的方法，有望成功地解决传统电化学生物传感器所面临的挑战，特别是简单的制造、超灵敏度、复杂样本检测，多路目标检测。作者依据用于早期诊断和多重筛查疾病最重要的生物靶标种类如核酸、蛋白质和细菌/病毒的生物靶标等对所综述的方法进行了分类。在具体的方法分析中作者对方法的优缺点以及未来的发展方向给出了建议。

光信号是最重要、最直观的检测信号。检测样品中生物分子的浓度可以通过测量光信号的变化进行定性、半定量和定量检测。与其他系统不同的是，光学生物传感器通常不需要复杂的仪器，在某些情况下甚至可以实现非侵入性和裸眼检测。这些特点使它们比其他系统更具成本效益，例如，光学信号可以通过数码相机、智能手机相机或光电探测器数字化成可读的图像。其次，信号可以通过使用适当的成像软件进行处理和分析，该软件将像素密度转换为检测区域内目标分析物的定量结果。因此，随着便携式光谱仪的发展，光学检测被认为是最适合POC检测的方法，也是最方便的裸眼检测方法。然而，由于光信号强度、检测仪器的准确性以及光学读数器的信噪比(SNR)较差，体外光学检测的应用仍面临着重大挑战。为了将光学生物传感器发展成适合的POC器件，研究人员在探针灵敏度、信号转导方法、传感材料的制备、信号增强和降噪等方面进行了改进。在这一节中，作者综述了近年来通过不同的光信号产生方式（结构色、表面增强拉曼散射、荧光等）来进行光POC诊断的关键进展。除了对具体方法的优缺点和建议，作者认为光学方法大大提高了检测精度和多路检测能力。然而，作者也认为仍有一些重要的问题需要解决，比如荧光分子的光学漂白和光学方法普遍存在的化学制备途径的复杂性。

小结：

在该综述中作者对上述几种传感和转导技术进行了总结归纳，参考文献详实且具有代表性，尤其是对一些方法提出的局限性和未来发展方向可能对该领域的进一步工作具有一定参考性。

转自：“分析人”微信公众号

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