综述：基于电化学适配体的生物传感器在心血管疾病检测中的应用

《Clínica e Investigación en Arteriosclerosis (English Edition)》：Electrochemical aptamer-based biosensors for cardiovascular disease

心血管疾病（CVD）的快速诊断工具开发需求迫切，电化学 aptamer 基生物传感器因其高灵敏度、特异性及微型化潜力成为研究热点。本文系统综述了该技术通过纳米材料整合、信号放大策略优化及多标志物检测平台构建，在心肌肌钙蛋白、C-反应蛋白等关键生物标志物检测中的应用进展，并分析了传感器稳定性、规模化生产等临床转化挑战。

　　心血管疾病（CVD）依然是全球范围内导致死亡的主要原因之一，其对人类健康的威胁日益加剧。根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年约有1790万人因CVD而失去生命。这种疾病的广泛影响不仅体现在死亡率上，还体现在其对患者生活质量的破坏以及对全球医疗体系带来的沉重经济负担。随着人口老龄化、生活方式的改变、饮食习惯的恶化以及高血压、糖尿病和高血脂等慢性病的增加，CVD的发病率持续上升。因此，开发快速、准确且易于获取的诊断工具对于早期检测和有效管理这一疾病显得尤为重要。传统的诊断方法，如心电图（ECG）、超声心动图和影像学技术（如CT和MRI），虽然在临床管理中发挥了关键作用，但它们往往存在成本高昂、可及性差、侵入性较强以及需要专业设备和操作人员等局限性。此外，许多常规检测手段在早期亚临床状态的识别上缺乏足够的敏感性和特异性，这进一步凸显了创新诊断工具的必要性。

在这一背景下，生物传感器技术正逐渐成为医学诊断领域的一股新兴力量。生物传感器是一种将生物分子识别与物理信号转换相结合的检测系统，通常由多个关键部分组成。首先，生物识别层包含与目标分析物直接相互作用的生物分子，如酶、抗体或DNA。接着是固定化基质，它作为支撑层，用于保持生物识别分子的稳定性和功能。然后是换能器组件，它负责将生物相互作用转化为可测量的物理信号，这些信号可能是电、光或热的形式。随后，信号被放大以增强其强度，最后通过信号处理将数据转化为可读的格式，如图形输出或屏幕显示，以表示分析物的浓度。这种技术的核心优势在于其快速、准确和微创的检测能力，能够实现对心血管疾病相关生物标志物的实时监测，为疾病的早期诊断和持续管理提供新的可能性。

在众多生物传感器平台中，电化学生物传感器因其固有的优势而备受关注。电化学生物传感器具有高灵敏度、高特异性、低成本、便携性和能够实现微型化与实时分析的能力。这些特性使其在临床环境中具备广泛应用的潜力。而其中，基于适配体的电化学生物传感器更是展现出了革命性的前景。适配体是通过系统进化配体的指数富集（SELEX）过程筛选出的单链核酸分子，它们具有与传统抗体相当甚至更优的亲和力和特异性，同时具备更高的稳定性和更易于修饰的特性。将适配体整合到电化学生物传感器中，使得这一技术不仅能够实现高选择性和高灵敏度的检测，还能够适应大规模生产的需求，并且在设计上更加灵活多样。

基于适配体的电化学生物传感器的工作原理是利用适配体与心血管疾病相关生物标志物之间的精确结合，将这些分子事件转化为可测量的电信号。这种信号转换通常通过多种电化学技术实现，包括安培法、电位法和阻抗谱学等。每种技术都有其独特的信号检测和量化优势，能够满足不同应用场景的需求。例如，安培法能够直接测量电流变化，适用于高灵敏度检测；电位法则通过测量电位变化来反映生物反应，具有较高的特异性；阻抗谱学则能够分析电导率的变化，适用于复杂样本中的检测。这些技术的结合使得基于适配体的电化学生物传感器能够在多种环境条件下稳定运行，并且能够实现对多种生物标志物的同时检测。

为了进一步提高传感器的性能，近年来在纳米技术领域的创新为这一技术的发展注入了新的活力。纳米材料的引入，如金纳米颗粒、碳纳米管和石墨烯等，显著增强了信号转换的效率，提高了电子转移速率，并扩大了适配体的固定化面积。这些改进不仅提升了传感器的灵敏度，还降低了检测的最低浓度要求，使得生物标志物在极低浓度下的识别成为可能。此外，新的信号放大策略也被广泛应用于这些传感器中，例如利用酶标记和基于DNA的放大技术，以进一步增强检测能力。这些技术的结合使得基于适配体的电化学生物传感器在临床应用中展现出前所未有的潜力。

在实际应用中，这些传感器被用于检测多种关键的心血管疾病生物标志物。例如，肌钙蛋白I和T是心肌梗死诊断的黄金标准，它们的浓度变化能够反映心肌损伤的程度。C反应蛋白（CRP）是一种与动脉粥样硬化和心血管风险密切相关的炎症标志物，其水平的升高通常预示着心血管疾病的潜在风险。此外，胆固醇水平，包括低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白（HDL），是评估血脂代谢和心血管疾病风险分层的重要指标。基于适配体的电化学生物传感器能够快速、准确地定量这些生物标志物，为疾病的诊断、风险评估和治疗效果监测提供了新的工具。这些能力不仅有助于提高诊断的精确性，还能够支持个性化治疗策略的制定，并改善疾病的预后评估。

尽管基于适配体的电化学生物传感器在心血管疾病诊断领域展现出了巨大的潜力，但在其广泛应用于临床环境的过程中，仍然面临一些挑战。首先，传感器的稳定性和可重复性是关键问题，因为适配体的功能完整性及其电化学响应的一致性可能会受到环境因素和样本基质的影响。其次，传感器的制造工艺需要具备良好的可扩展性，以满足商业化生产的需求。此外，如何将这些传感器整合到用户友好的平台上，使其更易于操作和使用，也是推动其临床转化的重要课题。解决这些问题需要跨学科的合作，涵盖材料科学、分子生物学、工程技术和临床研究等多个领域。

为了推动这一技术的发展，本文旨在全面回顾基于适配体的电化学生物传感器在心血管疾病诊断中的应用现状。文章将深入探讨适配体的选择与固定化过程，分析不同电化学转换技术的原理和应用，同时介绍近年来在传感器设计和技术优化方面的创新成果。通过整合现有的科学知识和技术进展，本文将揭示基于适配体的电化学生物传感器如何能够改变心血管疾病的诊断模式，并进一步改善患者的治疗结果和预后评估。

适配体的筛选过程是构建基于适配体的生物传感器的基础。SELEX技术是目前最常用的适配体筛选方法，它通过多轮的选择和扩增过程，逐步优化适配体与目标分子的结合能力。SELEX的实现需要一系列复杂的步骤，包括随机寡核苷酸的合成、与目标分子的结合筛选、未结合部分的去除、结合部分的扩增以及重复选择过程。这一过程不仅能够筛选出高亲和力和高特异性的适配体，还能够适应多种目标分子的检测需求，使得适配体在生物传感器设计中的应用更加广泛。随着SELEX技术的不断改进，适配体的筛选效率和特异性得到了显著提升，为基于适配体的生物传感器的开发提供了坚实的基础。

在传感器设计方面，基于适配体的电化学生物传感器采用了多种创新的结构和功能设计。这些设计不仅提高了传感器的性能，还增强了其在复杂样本中的适用性。例如，一些传感器利用纳米材料作为基底，以提高适配体的固定效率和信号转换能力。此外，一些传感器结合了多种信号放大策略，如酶标记和DNA扩增技术，以进一步提升检测的灵敏度和特异性。这些设计的多样性使得基于适配体的电化学生物传感器能够满足不同临床需求，并且在实际应用中表现出更高的灵活性和适应性。

在实际应用中，基于适配体的电化学生物传感器已经取得了显著的进展。这些传感器不仅能够检测单一的生物标志物，还能够实现对多种生物标志物的同时检测，从而提供更加全面的心血管健康评估。例如，一些传感器能够同时检测肌钙蛋白、C反应蛋白和胆固醇水平，这在心血管疾病的综合诊断和风险评估中具有重要意义。此外，这些传感器还能够实现对生物标志物的实时监测，为疾病的动态管理和治疗效果评估提供了有力支持。这种实时监测能力使得基于适配体的电化学生物传感器在临床环境中具有独特的应用价值。

在临床应用方面，基于适配体的电化学生物传感器展现出了广泛的前景。它们可以用于医院、诊所以及家庭护理等多种场景，从而提高疾病的诊断效率和可及性。例如，在医院环境中，这些传感器可以用于快速检测心肌梗死患者的心肌损伤程度，从而指导治疗方案的制定。在诊所中，它们可以用于常规的心血管疾病筛查，为医生提供更准确的诊断依据。而在家庭护理场景中，这些传感器可以用于患者的自我监测，从而实现疾病的早期发现和持续管理。这种多场景的应用能力使得基于适配体的电化学生物传感器在临床实践中具有更大的灵活性和实用性。

此外，这些传感器还能够与智能设备和移动应用程序相结合，为患者提供更加便捷的检测和数据管理方式。例如，一些传感器可以与智能手机连接，通过应用程序实时传输检测数据，并提供个性化的健康建议。这种技术的整合不仅提高了检测的便捷性，还增强了数据的可追溯性和可分析性，为患者的健康管理提供了新的可能性。随着物联网和人工智能技术的不断发展，基于适配体的电化学生物传感器有望在未来的医疗体系中发挥更大的作用。

尽管基于适配体的电化学生物传感器在心血管疾病诊断领域展现出了巨大的潜力，但在其临床应用过程中，仍然需要克服一些关键挑战。例如，如何确保传感器在复杂样本中的稳定性，如何提高其在不同环境条件下的适应性，以及如何优化其制造工艺以实现大规模生产，都是需要进一步研究的问题。此外，如何将这些传感器整合到现有的医疗体系中，使其能够与医生的诊断流程无缝对接，也是推动其实际应用的重要课题。这些挑战的解决需要跨学科的合作，包括材料科学、分子生物学、工程技术和临床医学等多个领域的共同努力。

为了进一步推动这一技术的发展，未来的研发方向可能包括以下几个方面。首先，开发更加稳定的适配体分子，以提高其在复杂样本中的功能完整性。其次，优化传感器的制造工艺，使其具备更高的可扩展性和更低的成本，从而促进其商业化应用。此外，探索新型的信号转换技术，以提高检测的灵敏度和特异性，并适应更广泛的检测需求。最后，加强这些传感器在临床环境中的验证和应用，以确保其在实际诊断中的可靠性和有效性。通过这些努力，基于适配体的电化学生物传感器有望在未来成为心血管疾病诊断的重要工具，为患者提供更加精准、高效和便捷的检测服务。

总之，基于适配体的电化学生物传感器在心血管疾病诊断领域展现出了巨大的潜力。它们不仅能够实现对关键生物标志物的高灵敏度和高特异性检测，还能够通过创新的传感器设计和信号转换技术，提高检测的准确性和实用性。随着技术的不断进步和跨学科合作的深入，这些传感器有望在未来成为心血管疾病诊断和管理的重要组成部分，为患者提供更加全面和个性化的医疗服务。