综述：基于水凝胶的癌症诊断设备：材料与生物标志物的系统综述

《Future Science OA》：Hydrogel-based devices for cancer diagnostics: a systematic review of materials and biomarkers

水凝胶作为新型诊断工具在癌症生物标志物检测中展现出潜力，系统回顾33项研究显示其能有效捕获CTCs、DNA、RNA等分子标志物，尤其在乳腺癌、肝癌和宫颈癌中应用广泛，但临床转化仍需优化标准化流程和验证。

　　近年来，癌症已成为全球范围内的重大健康问题，其发病率和死亡率持续上升。根据国际癌症研究机构（IARC）的数据，2022年全球新发癌症病例约2000万例，预计到2050年将增长至3500万例，增幅达77%。癌症已成为177个国家中30至70岁人群的主要死亡原因之一，并已超越心血管疾病，成为高收入国家的首要死亡原因。与此同时，癌症的治疗方式也在不断演进，从传统的手术、放疗和化疗，发展到如今以分子靶向治疗为核心的个性化医疗模式。这种转变不仅提升了治疗效果，也为早期诊断和精准治疗提供了新的可能性。

在癌症治疗领域，个性化疗法（personalized therapy）正成为一种具有前景的趋势。该疗法通过分子层面的分析，针对每位患者肿瘤的特定特征，制定个性化的治疗方案。这种方法依赖于对肿瘤突变谱的精准识别，而突变谱的分析则是实现精准治疗的第一步。因此，癌症研究的一个核心方向是通过分子分析技术，了解肿瘤的基因组、表观遗传和微环境特征，从而为患者量身定制治疗策略。

为了更高效地识别这些突变特征，科学家们开发了多种检测方法，其中液态活检（liquid biopsy）技术因其非侵入性、易于获取和可重复性而受到广泛关注。液态活检通常通过采集患者的血液、尿液或唾液等体液样本，检测其中的肿瘤相关生物标志物。这些生物标志物包括循环肿瘤细胞（CTCs）、循环肿瘤DNA（ctDNA）、微小RNA（miRNA）、外泌体和蛋白质等。通过分析这些生物标志物，研究人员可以获取关于肿瘤的分子信息，为疾病的早期发现、病情监测和治疗决策提供支持。

在这一背景下，水凝胶（hydrogel）作为一种新型的诊断工具，逐渐引起了研究者的关注。水凝胶是一种具有多网络结构的高分子材料，因其独特的物理化学性质，如良好的水吸收能力、可调控的孔隙结构以及对外部刺激的响应性，而被广泛应用于生物医学领域。近年来，水凝胶被用于开发多种癌症生物标志物检测设备，尤其是在液态活检领域。通过将水凝胶应用于体液样本的采集和分析，研究人员可以实现对肿瘤生物标志物的高效捕获和检测，从而推动癌症的早期诊断和精准治疗。

水凝胶的结构和功能可以通过多种方式进行调控。例如，水凝胶可以被设计成不同尺寸，包括宏观水凝胶、微水凝胶和纳米水凝胶，以适应不同的检测需求。此外，水凝胶还可以通过化学修饰或生物印迹技术，实现对特定生物标志物的高选择性捕获。例如，一些研究利用分子印迹水凝胶（molecularly imprinted hydrogel）或细胞印迹水凝胶（cell-imprinted hydrogel）来模拟肿瘤细胞的表面特征，从而实现对CTCs的高效识别。这种技术的优势在于，它能够保留细胞的完整性，并在检测过程中提供实时的荧光信号，为癌症研究提供了新的视角。

水凝胶的另一大优势在于其对外部刺激的响应性。例如，一些水凝胶能够根据温度、pH值或特定化学物质的变化，改变其结构和功能，从而实现对生物标志物的动态捕获和释放。这种特性使得水凝胶在体液样本的采集和分析中具有更高的灵活性和适应性。相比于传统的生物传感器，水凝胶能够直接与样本接触，捕获其中的生物标志物，而无需依赖外部的检测设备。这种“直接接触”模式不仅提高了检测的效率，还减少了样本处理过程中的干扰因素。

在水凝胶用于癌症生物标志物检测的研究中，最常见的水凝胶材料包括丙烯酰胺（acrylamide）、聚乙二醇（PEG）、DNA和海藻酸盐（alginate）。其中，丙烯酰胺水凝胶因其良好的水吸收能力和分子筛效应，被广泛用于捕获低分子量的蛋白质和肽类生物标志物。而聚乙二醇水凝胶则因其良好的生物相容性和可调控的孔隙结构，被用于构建温度或光响应的水凝胶系统，以实现对CTCs的可控捕获和释放。DNA水凝胶则因其生物相容性和可降解性，被用于构建智能响应型材料，如磁响应水凝胶或生物刺激响应水凝胶，以实现对特定生物标志物的高选择性识别。海藻酸盐水凝胶则因其良好的生物相容性和高水吸收能力，被用于构建微球或微滴等形态，以适应不同的样本处理需求。

水凝胶的这些特性使其在癌症诊断中展现出巨大的潜力。然而，目前的研究仍主要集中在实验室环境下的验证和概念性探索，临床应用仍处于初步阶段。大多数研究使用的是体外模型（in vitro），而仅有少数研究涉及动物模型（in vivo）。此外，水凝胶作为诊断工具的标准化性能尚未完全建立，这在一定程度上限制了其在临床环境中的广泛应用。因此，未来的研究需要进一步优化水凝胶的结构和功能，提高其在真实临床环境中的检测灵敏度和特异性，同时推动其在体内的应用，以实现更精确的癌症诊断。

从研究结果来看，水凝胶在癌症生物标志物检测中的主要应用对象是乳腺癌、肝癌和宫颈癌。这些癌症类型在体液样本中具有较高的生物标志物含量，使得水凝胶的应用更具可行性。此外，CTCs是目前研究中最为常见的生物标志物之一，被多个水凝胶系统用于检测。然而，CTCs主要出现在癌症的晚期阶段，因此其作为早期诊断标志物的潜力仍需进一步验证。研究人员正在探索其他类型的生物标志物，如ctDNA、外泌体RNA和蛋白质标志物，这些标志物在癌症早期阶段可能具有更高的检测价值。

在水凝胶的制备过程中，研究者们采用了多种方法，包括自由基聚合、化学交联、酶催化和自旋方法等。这些方法使得水凝胶能够根据不同的研究需求进行定制化设计。例如，丙烯酰胺水凝胶可以通过调整交联剂和引发剂的浓度，控制其孔隙结构和机械性能。聚乙二醇水凝胶则可以通过共聚或化学修饰，实现对特定生物标志物的响应性。DNA水凝胶则利用其天然的分子识别能力，通过化学交联或自旋方法构建具有特定功能的水凝胶结构。海藻酸盐水凝胶则因其良好的生物相容性，被用于构建微球或微滴，以实现对生物标志物的高效捕获。

尽管水凝胶在癌症生物标志物检测中展现出诸多优势，但其在临床中的应用仍面临一些挑战。首先，目前大多数研究仍停留在概念验证阶段，缺乏大规模的临床试验数据。其次，水凝胶的检测性能尚未完全标准化，不同研究中使用的水凝胶材料和检测方法存在较大差异，这使得不同研究结果之间的可比性受到限制。此外，水凝胶在体液样本中的应用仍需进一步优化，以提高其对低浓度生物标志物的检测能力。因此，未来的研究应着重于建立统一的检测标准，提高水凝胶的灵敏度和特异性，并推动其在临床环境中的实际应用。

在癌症研究和诊断领域，水凝胶的应用前景十分广阔。通过结合分子生物学、材料科学和工程学，研究人员可以开发出更加精准和高效的水凝胶系统，以实现对肿瘤生物标志物的全面检测。这些系统不仅可以用于癌症的早期发现，还可以用于病情监测和治疗效果评估。随着技术的不断进步，水凝胶有望成为一种重要的非侵入性诊断工具，为癌症患者提供更加便捷和高效的检测手段。

此外，水凝胶作为一种新型的生物材料，还具有良好的生物相容性和可降解性，这使其在体内应用时更加安全。例如，一些研究已经将水凝胶用于构建植入式生物传感系统，以实现对肿瘤生物标志物的实时监测。这种技术不仅可以用于癌症的早期诊断，还可以用于评估治疗效果和监测疾病复发。随着人工智能和大数据技术的发展，水凝胶系统的检测性能有望进一步提升，从而实现更加精准的癌症诊断和个性化治疗。

总的来说，水凝胶作为一种新型的诊断工具，在癌症生物标志物检测中展现出巨大的潜力。其独特的物理化学性质、可调控的结构和功能，以及对外部刺激的响应性，使其成为一种理想的材料，用于开发非侵入性、高灵敏度和高特异性的癌症检测系统。然而，水凝胶在临床中的应用仍需进一步优化和验证，以确保其在实际应用中的可靠性和一致性。未来的研究应着重于推动水凝胶技术的标准化发展，同时探索其在更多癌症类型和生物标志物检测中的应用，以实现更广泛和更深入的癌症研究和诊断。