《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Recent advancements in molecular diagnostics with nanomaterials
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纳米材料通过增强检测灵敏度、速度和特异性，在分子诊断中与核酸杂交、扩增、CRISPR/Cas系统、免疫检测及aptamer识别等技术整合，解决传统诊断瓶颈。分析磁性、贵金属、量子点和碳基纳米材料的应用优势与局限，为疾病早期诊断和精准医疗提供新方向。
Jing Li|Jiao Hu|Dai-Wen Pang|Cui Liu
中国重庆大学药学院创新药物研究中心天然产物合成与药物研究重点实验室，重庆400044
摘要
分子诊断通过检测人体内生物大分子和大分子系统的存在、结构变化或其表达和调控的变异，为疾病预测、预防、诊断和预后提供了关键信息。纳米材料具有独特的光学、磁性、电学和热学性质，使其能够产生各种可检测信号，增强检测信号的强度，并简化检测过程。本文综述了纳米材料在分子诊断中的当前应用和未来发展。重点介绍了纳米材料与生化技术（如核酸杂交、核酸扩增、CRISPR/Cas系统、免疫测定和适配体）的整合应用。我们探讨了每种整合方法的优势和局限性，并评估了它们的临床应用潜力。本文对基于纳米材料的分子诊断技术的前景进行了全面展望，指出了未来的发展方向。
引言
分子诊断利用分子生物学技术和方法来研究人体内内源性或外源性生物大分子和大分子系统的存在、结构或其表达和调控的变化，从而为疾病预防、预测、诊断、治疗和预后提供关键信息和决策依据。它在临床实验室检测、法医学和组织相容性检测中发挥着重要作用，并显著推动了现代实验室医学的发展，从更深层次揭示了疾病的本质，指导了临床诊断，并促进了疾病预防和个性化治疗。然而，许多传统诊断技术已无法满足临床诊断对更高灵敏度、准确性和特异性的需求。纳米材料具有独特的尺寸依赖性物理和化学性质，其光学、磁性、电学、热学和催化性质可以通过改变其尺寸、形态、化学组成和表面结构来调节。特别是，纳米材料的比表面积远大于块状材料，这使其表面能够修饰不同的分子。这些表面功能化的纳米材料已被用于小分子、核酸、蛋白质、微生物等的选择性检测。因此，将纳米材料与传统诊断技术相结合有望实现更低检测限（LOD）、更高灵敏度和更强选择性的体外和体内检测。
迄今为止，已有大量关于基于纳米材料的分子诊断方法的综述，但大多数仅关注纳米材料的分类和性质。实际上，检测方法也在不断演变；纳米材料的整合主要是为了提高传统检测方法的性能，而在方法论或原理方面的创新相对较少。另一方面，以检测方法为中心的综述通常根据目标分析物（如核酸、蛋白质、外泌体、肿瘤细胞）来组织内容。
本文综述了传统分子诊断技术与多种纳米材料的整合（图1），重点探讨了这些纳米材料如何解决传统检测方法面临的挑战。我们强调了基于纳米材料的分子诊断技术的优势、局限性和未来挑战。首先简要介绍了包括磁性纳米材料、贵金属纳米材料、量子点和碳纳米材料在内的代表性纳米材料。接着详细阐述了纳米材料增强的分子诊断技术，并按不同的生物传感技术（包括核酸杂交、核酸扩增、CRISPR/Cas系统、免疫测定和适配体识别）进行了分类。在这些部分中，以易于理解和应用的方式提供了有关几种报道的纳米材料增强分子诊断方法的具体信息。我们的目标是提供跨学科纳米生物技术方法的全面总结，以有效开发新型分子诊断技术，并为重大疾病的早期诊断和实时监测提供创新技术。
部分摘录
用于分子诊断的关键纳米材料
纳米材料凭借其独特的光学、磁性、电学和热学性质以及超大的比表面积，有效解决了传统诊断技术在灵敏度、检测速度和多指标并行检测方面的瓶颈。这推动了分子诊断向快速、高灵敏度和微型化方向发展。在本节中，我们简要介绍了目前广泛使用的几种纳米材料
纳米材料增强的分子诊断技术
迄今为止，核酸和蛋白质仍是分子诊断的主要目标。核酸是与临床疾病相关的特异性生物分子。实现这些低丰度生物分子的高灵敏度检测对于阐明其在疾病诊断、预后和预测治疗效果中的作用至关重要。蛋白质的质量和数量反映了核酸表达水平的变化，且通常出现得相对较晚。
总结与展望
随着全球老龄化进程的加速、分层医疗诊断和治疗的推广、对精准医疗需求的增加以及对公共卫生紧急事件的应对，对分子诊断的检测速度、灵敏度和特异性的要求越来越高。个性化医疗和预防医学需要在基因水平上进行疾病风险预测、诊断、预后评估和用药指导。
作者贡献声明
Cui Liu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、调查、资金获取、概念构思。Dai-Wen Pang：监督、资源协调、概念构思。Jiao Hu：撰写 – 审稿与编辑、调查。Jing Li：撰写 – 原稿撰写、调查、数据分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22293032、22293030、32171392、22174053和91859123）、国家重点研发计划（2019YFA0210500）、中央高校基本科研业务费（63211023和2024CDJXY002）以及重庆市自然科学基金（CSTB2024NSCQ-MSX0390）的资助。我们还要感谢海河可持续化学转化实验室的财务支持。
