用于癌癥診斷的仿生傳感器技術(shù)研究進(jìn)展

仿生傳感器技術(shù)是一種從大自然中汲取靈感的未來主義方法。醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域已經(jīng)從這種對(duì)生物體高效機(jī)制的模仿中獲益良多。通過模仿生物體中極其高效的生物受體，仿生傳感器在許多疾病的早期檢測(cè)，尤其是癌癥的早期檢測(cè)方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自印度蘇里尼大學(xué)（Shoolini University）等機(jī)構(gòu)的研究人員在Talanta Open期刊上發(fā)表了題為“Recent update on biomimetic sensor technology for cancer diagnosis”的綜述性文章，全面概述了用于癌癥診斷的仿生傳感器，重點(diǎn)介紹了其類型和識(shí)別元件，并強(qiáng)調(diào)了仿生傳感器在實(shí)現(xiàn)癌癥特異性生物標(biāo)志物的非侵入性檢測(cè)方面的顯著優(yōu)勢(shì)，例如準(zhǔn)確性和靈敏度?？傮w而言，仿生傳感器是一項(xiàng)革命性的進(jìn)展，它促進(jìn)了我們對(duì)早期癌癥檢測(cè)的理解，改善了患者的預(yù)后，提高了醫(yī)療保健水平。

仿生傳感器在癌癥診斷中的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

傳統(tǒng)的癌癥檢測(cè)技術(shù)具有很強(qiáng)的侵入性，而且通常會(huì)引起副作用。為了解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了基于仿生液體的檢測(cè)方法，能夠無創(chuàng)地識(shí)別人體尿液、血液和唾液等體液中存在的生物標(biāo)志物。此外，仿生傳感器非常靈敏，并且具有高特異性，因此比傳統(tǒng)方法更可靠。同時(shí)，仿生傳感器還能夠?qū)崿F(xiàn)癌癥生物標(biāo)志物的早期檢測(cè)，從而增強(qiáng)傳統(tǒng)治療方法的有效性。另外，通過與納米技術(shù)相結(jié)合，仿生傳感器可以提高自身的檢測(cè)靈敏度和選擇性，而這正是傳統(tǒng)檢測(cè)方法所缺乏的。

用于癌癥診斷的仿生傳感器類型

（1）光學(xué)仿生傳感器

（1.1）光子晶體傳感器

光子晶體是一種人工制造的材料，具有周期性排列的納米級(jí)電介質(zhì)或金屬結(jié)構(gòu)。由于這種周期性，光子晶體會(huì)產(chǎn)生光子帶隙，使得一定范圍內(nèi)的波長(zhǎng)不能夠通過光子晶體傳播。當(dāng)光子晶體周圍的折射率發(fā)生變化時(shí)（例如特定分子的存在或溫度的變化），光子帶隙會(huì)發(fā)生偏移，因此可以利用基于各種測(cè)量技術(shù)（例如監(jiān)測(cè)光通過光子晶體的反射率或透射率）的光子晶體傳感器來檢測(cè)這種偏移。

（1.2）表面等離子共振（SPR）傳感器

顧名思義，表面等離子共振（SPR）傳感器利用的是表面等離子共振原理。當(dāng)金屬表面附近的折射率發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生等離子共振變化，這表明存在結(jié)合的目標(biāo)分子。

表面等離子共振（SPR）傳感器的基本工作原理

（1.3）熒光傳感器

在基于熒光的仿生生物傳感器中，熒光標(biāo)簽或量子點(diǎn)被用于檢測(cè)和量化目標(biāo)分子。當(dāng)目標(biāo)分子與傳感器表面結(jié)合時(shí)，熒光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的檢測(cè)。

熒光傳感器的基本工作原理

（2）電子仿生傳感器

（2.1）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）傳感器

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）傳感器的工作原理是基于晶體管柵極表面修飾的特定生物識(shí)別元件。當(dāng)目標(biāo)分子與識(shí)別元件結(jié)合導(dǎo)致晶體管電性能發(fā)生變化時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記檢測(cè)。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）傳感器的基本工作原理

（2.2）阻抗傳感器

阻抗傳感器通過測(cè)量阻抗（目標(biāo)分子與傳感器表面結(jié)合后，各種材料（如組織）對(duì)交流電流的阻抗）來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的檢測(cè)，阻抗的變化可以反應(yīng)目標(biāo)分子的濃度。

生物分子和仿生識(shí)別元件

（1）癌癥生物標(biāo)志物適配體

能夠與特定目標(biāo)分子高親和力結(jié)合的短單鏈核酸（DNA/RNA）分子，被稱為適配體。通過迭代選擇和放大與目標(biāo)分子具有高結(jié)合親和力的適配體是一種適配體篩選方法，這一過程被稱為指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment，SELEX）。

指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）過程概覽

（2）分子印跡聚合物（MIPs）

分子印跡聚合物（MIPs）是一種具有識(shí)別位點(diǎn)的人工合成物質(zhì)，這些識(shí)別位點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，可以選擇性地與特定目標(biāo)分子結(jié)合。

分子印跡聚合物（MIPs）制備示意圖

（3）抗體和免疫仿生傳感器

抗體通過識(shí)別并結(jié)合特定抗原而起作用，這種結(jié)合具有高度選擇性，因?yàn)橐环N抗體只能識(shí)別并結(jié)合一種抗原或其最接近的抗原群。免疫仿生傳感器是一種生物傳感器，它能夠模擬人體的抗體與抗原之間的相互作用以及用于檢測(cè)目標(biāo)分子的天然抗體的特性。

人工合成的仿生抗體與免疫細(xì)胞結(jié)合并促進(jìn)其靶向癌細(xì)胞的示意圖

（4）酶基傳感器

酶基傳感器有幾個(gè)關(guān)鍵組成部分。首先是與目標(biāo)分子或反應(yīng)物分子結(jié)合并催化反應(yīng)的識(shí)別元件（酶）；其次是反應(yīng)底物，識(shí)別元件與其發(fā)生反應(yīng)后的產(chǎn)物將產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)，如顏色變化、電化學(xué)信號(hào)或熒光信號(hào)；最后是換能器，其用于檢測(cè)產(chǎn)生的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)輸出。

酶基生物傳感器的工作原理

綜上所述，仿生傳感器技術(shù)就像是大自然賜予我們的抗癌禮物。這些傳感器的設(shè)計(jì)靈感來源于生物的有效工作原理，它們是非侵入性的，能夠識(shí)別人體體液中的癌癥特異性標(biāo)志物。這些仿生傳感器有助于癌癥的早期發(fā)現(xiàn)，并通過提供更好的治療方案來提升患者的康復(fù)機(jī)會(huì)。盡管面臨重重困難，科學(xué)家們?nèi)栽谂μ岣哌@些仿生傳感器的效率和經(jīng)濟(jì)性。由于仿生傳感器的出現(xiàn)，個(gè)性化癌癥治療和人人可享有的更健康的未來離我們又近了一步。

審核編輯：劉清