综述：从检测到药物递送：癌症生物传感器从概念到临床影响的创新

本综述系统阐述了癌症生物传感器（Cancer biosensors）的最新技术进展，涵盖从早期诊断（如miRNA检测）到靶向药物递送系统（Targeted drug delivery systems）的全链条创新。重点突出了电化学（Electrochemical）、MOF（Metal-Organic Framework）及无标记（Label-free）生物传感器的超高灵敏度（检测限低至8 fg/mL）和临床转化潜力，并探讨了人工智能（AI）辅助诊断（AI-assisted diagnostics）和液体活检（Liquid biopsy）等前沿方向对精准医疗（Precision medicine）的推动。

　　

引言

癌症作为全球第二大死因，其异常细胞增殖和转移特性对传统诊疗手段构成持续挑战。常规化疗和放疗存在非特异性毒性、耐药性及对健康组织损伤等问题，促使领域转向高特异性、实时监测的生物传感器技术。这类技术通过将生物分子相互作用转化为可量化信号，实现了对癌症生物标志物的超灵敏检测，并逐步整合到智能药物递送系统中，推动肿瘤治疗向精准化、个性化方向发展。

生物传感器的历史演进

生物传感器技术自1962年Clark首提酶电极以来，历经六代发展：第一代基于酶-底物催化；第二代引入氧化还原介质检测肿瘤抗原如CEA；第三代采用DNA杂交技术检测BRCA1等癌基因；第四代整合纳米材料（如金纳米颗粒、碳纳米管）提升信号转导稳定性；第五代出现可穿戴设备实现连续监测；当前第六代结合无线接口、智能手机与AI算法，实现多组学数据分析和闭环治疗控制。这一演进历程体现了生物传感器从单一检测工具向智能化、集成化临床平台的转变。

生物标志物：传感与治疗的基础

生物标志物按功能分为预测性、检测性、诊断性和预后性标志物；按分子类型包括DNA（如SNPs）、RNA（如miRNA）、蛋白质（如CEA、HER2）及糖基化标志物。其中miRNA（如miR-150、miR-21）因在结直肠癌、胃癌、白血病中异常表达而成为早期诊断关键靶点。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）、质谱（LC-MS/MS）等技术验证的候选标志物，可进一步集成到电化学或等离子体传感器中，驱动药物控释系统。

生物传感器类型与癌症应用

生物传感器由生物识别元件（酶、抗体、核酸适体等）和信号转换器构成，主要类型包括：

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  电化学传感器：基于适体功能化纳米材料（如AgNPs）实现癌胚抗原（CEA）、HER2/neu的飞摩尔级检测，例如纸基装置可1小时内检出结直肠癌标志物。
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  MOF基传感器：利用金属有机框架（如PCN-222）的高孔隙率和可修饰性，锚定核酸适体后检测HER2（灵敏度达12 pg/L）或CEA（检测限8.0 fg/mL）。
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  无标记传感器：避免荧光/放射性标记，通过直接光学或电化学变化监测靶标，如适配体传感器检测E. coli或乳腺癌标志物面板（MUC1、CA15-3、HER2）。

此外，微流控芯片和可穿戴设备（如微针皮肤贴片）支持实时分析ctDNA、外泌体或黑色素瘤相关酪氨酸酶，推动床旁诊断（PoC）发展。

电化学生物传感器在癌症检测中的前沿应用

电化学平台通过电极界面生物相互作用产生信号，分为免疫传感器、适体传感器、酶传感器和基因传感器。纳米材料增强策略显著提升性能：银纳米颗粒（AgNPs）与磁珠结合检测DNA序列；量子点无酶传感器靶向miR-1246；DNA水凝胶平台捕获miR-223。关键癌症miRNA及其检测性能见表3，例如miR-let-7a（肝癌）通过杂交探针检出，miR-150（肺癌、胃癌）采用石墨烯-碳点复合传感器监测。

MOF基生物传感器的设计优势

金属有机框架（MOFs）由有机配体与金属节点通过配位键形成，具有高比表面积、可调孔径和优异热稳定性。其衍生纳米结构（如金属氧化物-碳杂化物）增强电子传输能力，应用于：

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  CEA检测：Pt@CuMOFs-hGq-GOx纳米复合物构建阻抗适体传感器，检测限0.023 pg/mL；
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  HER2检测：TDNs自组装MOF-核酸结构结合链霉亲和素-适体，实现细胞水平10细胞检测灵敏度；
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  多路复用检测：功能化表面支持多靶标同步分析，适用于癌症标志物面板识别。

无标记传感与智能治疗集成

无标记技术通过直接识别生物分子状态变化简化检测流程，如纸基电化学传感器检测水体病原体。更重要的是，生物传感器与药物递送系统结合，响应肿瘤微环境刺激（如酸性pH、MMPs酶、ROS）触发控释：

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  pH响应载体：在肿瘤酸性环境（pH 5）下通过腙键加速释放阿霉素；
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  酶敏感水凝胶：MMP可切割PEG水凝胶靶向转移灶；
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  miRNA响应纳米笼：同步递送anti-miR-21与化疗药物，诱导癌细胞凋亡。
  这类“感知-反馈”系统通过持续监测ctDNA、细胞因子等动态调整治疗方案，减少脱靶毒性。

未来展望

AI与机器学习将深度整合至PoC系统和疗效预测模型；液体活检技术推动单样本多癌筛查；定制化癌症疫苗、CRISPR编辑及标志物引导疗法提升治疗特异性。然而，肿瘤异质性、耐药性及医疗可及性差异仍是核心挑战。未来需跨学科合作推动技术临床转化，并统筹科学创新与卫生公平性，使癌症逐步成为可管理的慢性病。

结论

生物传感器已从概念验证工具发展为癌症精准医疗的核心组件，其在生物标志物检测、实时诊断监测和智能治疗交付方面的集成应用，正重新定义肿瘤诊疗范式。持续的技术优化、临床验证及规模化生产将最终决定其广泛实施的可行性。