综述：基于纸基生物传感器的即时护理（POC）微小核糖核酸（miRNA）检测进展

本文聚焦于纸基生物传感器在微小核糖核酸（miRNA）检测中的应用。阐述了其设计、材料与机制，纳米材料提升了检测性能。该传感器在癌症、慢性病诊断等方面应用广泛，且兼具可持续性与便携性，为医疗诊断带来新突破。

　　

基于纸基生物传感器的即时护理（POC）微小核糖核酸（miRNA）检测进展

在医疗诊断领域，纳米级生物传感器的发展是一项重大突破，尤其在精准医学中。微小核糖核酸（miRNA）作为重要的生物标志物，在疾病早期诊断和治疗中意义重大。纸基生物传感器凭借其独特优势，成为研究热点。

变革性早期诊断：miRNA 在疾病检测中的作用

1. 早期疾病检测的重要性：早期诊断疾病对改善患者预后、降低医疗成本至关重要。纳米级生物传感器能够检测极低浓度的生物标志物，在早期疾病检测中发挥关键作用。通过早期检测，可实现及时干预，优化治疗方案，减轻医疗系统负担。
2. miRNA 作为生物标志物的作用：miRNA 是一类非编码 RNA 分子，参与细胞凋亡、分化和增殖等多种生物学过程，对维持细胞内稳态至关重要。在癌症等疾病中，miRNA 的表达模式会发生改变，一些 miRNA（如致癌 miRNA，oncomiRs）可促进肿瘤生长和转移，而另一些则会下调，导致癌基因过表达 。这些变化使得 miRNA 成为理想的早期疾病检测、预后评估和治疗反应预测的指标。利用纳米级生物传感器检测 miRNA，能够实现对疾病的早期诊断和个性化治疗。

纸基生物传感器：设计、机制和材料

1. 设计和操作原理：纸基生物传感器以纤维素为主要成分的纸作为柔性基质，内置生物识别元件，用于特异性结合目标 miRNA。纸的低成本、大表面积、天然孔隙率和毛细管作用等特性，有助于样品传输和与检测元件的相互作用。传感器设计中常包含微流体通道或特定区域，以优化流体流动、提高检测灵敏度并减少样品用量。其工作原理是基于目标 miRNA 与生物识别元件的特异性结合，结合后会产生可检测信号，如光学、电化学或质量信号，从而实现对 miRNA 的定量检测。
2. 材料和制造技术：选择合适的材料对纸基生物传感器的性能至关重要。除了纤维素作为主要底物外，还常添加纳米材料（如金纳米颗粒（AuNPs）、氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNTs））来增强检测能力。AuNPs 具有独特的光学性质，如表面等离子体共振（SPR），可用于增强光学信号；GO 因其高导电性和大表面积，能显著改善电化学检测性能。生物识别元件通常使用肽核酸（PNAs）、互补 DNA（cDNA）或 RNA 序列等核酸探针，通过化学或物理方法固定在纸表面，以确保有效杂交并减少非特异性结合 。此外，还可添加酶、氧化还原介质和荧光染料等成分来增强检测能力。纸基生物传感器的制造方法包括丝网印刷、喷墨印刷和滴铸等，这些方法简单且成本低，适合大规模生产。
3. 生物识别元件和信号转导：生物识别元件是生物传感器识别目标分析物的关键。在纸基 miRNA 生物传感器中，常用的生物识别元件包括 RNA 链、与目标 miRNA 互补的单链 DNA（ssDNA）探针和 PNAs。通过表面修饰技术（如聚合物涂层和自组装单分子层（SAMs））将这些探针固定在纸基质上，以确保其正确取向和可及性，便于与 miRNA 结合。信号转导是将 miRNA 与探针的结合事件转化为可检测信号的过程。纸基生物传感器可采用多种信号转导方法，如电化学方法通过监测 miRNA 杂交引起的电流或阻抗变化来实现高灵敏度和实时监测；比色法利用与检测探针连接的酶产生肉眼可见的颜色变化，可通过分光光度计测量；光学方法则利用荧光或 SPR 技术提高信号识别能力，并提供多重检测的可能性。

纸基 miRNA 生物传感器的纳米级增强

1. 增强信号：纳米技术可显著增强纸基生物传感器中 miRNA 结合产生的信号，这对于检测临床样本中痕量存在的低丰度 miRNA 至关重要。例如，通过功能化 AuNPs 与催化产生可观察颜色变化的酶，可实现对 miRNA 浓度的可视化读出；量子点（QDs）因其高荧光性和光稳定性，作为荧光标记可大大提高光学检测的灵敏度。通过工程化纳米材料优化 miRNA 与捕获探针的相互作用，可创建更有效的生物识别界面，减少非特异性结合和空间位阻，提高检测的特异性和降低背景噪声。
2. 增加捕获效率：纳米颗粒具有高的表面积与体积比，将其整合到纸基质中，可增加生物识别元件的固定密度，有效提高目标 miRNA 的捕获效率，从而增强生物传感器的灵敏度，使其能够检测到 miRNA 数量的微小变化。CNTs 和基于石墨烯的材料因其大表面积和易于功能化的特点，特别适合用于提高捕获效率。
3. 改善电化学检测：具有优异导电性的纳米材料（如石墨烯和碳纳米管）可用于改善 miRNA 的电化学检测。这些材料能够促进电极表面与生物识别元件之间的电子转移，提高生物传感器的灵敏度和动态范围。通过在纸基质中形成导电网络，纳米颗粒可增强 miRNA 结合时产生的电化学信号，实现更精确和可靠的测量。

提高灵敏度和特异性

1. 纳米材料在纸基传感器中的整合：将纳米材料整合到纸基生物传感器中是诊断领域的一项重大突破，可提高生物分析物检测的灵敏度和特异性。AuNPs 的特殊光学性质使其能够通过 SPR 实现信号放大，在比色分析中，这种特性尤为有用，可通过颜色变化指示特定生物标志物的存在。GO 的大表面积和优异导电性对电化学检测至关重要，它能够促进快速电子转移，实现对生物分子相互作用引起的电流变化的灵敏测量，同时还能提高生物传感器的整体稳定性和重复性。CNTs 因其高机械强度和大表面积，可实现更高的生物识别元件负载量，从而显著提高传感器灵敏度，且适用于多种传感器设计。利用这些纳米材料，可开发出能够检测低至皮摩尔（10?12M）浓度生物标志物的纸基生物传感器，这在医学诊断中具有重要意义，能够实现疾病的早期检测和及时治疗。
2. miRNA 的多重检测：多重检测是现代生物传感器的一项革命性特征，能够在一次检测中同时分析多种生物标志物。在 miRNA 检测中，特定的 miRNA 谱可提供有关多种健康状况（如癌症和代谢紊乱）的重要信息。纸基生物传感器通过设计特定的生物识别元件，可实现对多个目标 miRNA 的并行检测。每个生物识别元件固定在纸基质的不同区域，通过比色读数或先进的成像技术，可根据不同生物标志物的独特反应进行视觉区分，从而更全面地了解患者的健康状况。纳米材料的加入进一步增强了这些传感器的多重检测能力，例如不同尺寸或形状的 AuNPs 可为每个目标 miRNA 产生独特的光学特征，实现无交叉反应的同时检测。此外，机器学习算法可用于分析多重检测产生的复杂数据集，提高诊断准确性，并为患者提供个性化的治疗策略。使用纸基生物传感器进行多重检测不仅简化了诊断过程，还降低了试剂和样品用量成本，在资源有限的环境中具有显著优势，有助于推动公共卫生领域的早期疾病检测和干预工作。

在临床诊断中的应用

1. 癌症生物标志物的早期检测：早期检测癌症生物标志物是肿瘤学的重要进展，对治疗方案和患者预后具有重大影响。纳米级生物传感器，尤其是基于纸基平台的传感器，已成为检测与各种癌症相关的特定生物标志物的有效工具。这些传感器基于分子识别原理工作，生物识别元件（如抗体或核酸）与生物样品中的目标癌症生物标志物特异性结合。纳米级生物传感器的高灵敏度使其能够检测低至皮摩尔浓度的生物标志物，这对于癌症早期诊断至关重要，因为许多癌症相关生物标志物在疾病早期阶段的检测水平非常低。例如，某些 miRNA 和循环肿瘤 DNA（ctDNA）已被确定为多种癌症的有前景的生物标志物，通过非侵入性检测方法（如血液或唾液检测）检测这些生物标志物，便于进行常规筛查和监测，使医疗专业人员能够及时采取行动。将纳米材料（如 GO 和 AuNPs）整合到生物传感器中，可增强信号并提高检测精度，实现电化学或比色读数，提供准确和可测量的结果。此外，多重检测能力可在一次检测中同时识别多种癌症生物标志物，进一步扩大了纳米级生物传感器在临床诊断中的应用价值。早期癌症检测不仅可以提高患者的生存率，还能够实现更个性化的治疗方案，根据患者癌症类型的特定生物标志物，医疗专业人员可以定制治疗方案，针对肿瘤生长的根本机制进行治疗，从而提高治疗效果，减少不必要的副作用，改善患者的生活质量。
2. 通过 miRNA 谱监测慢性疾病：利用 miRNA 谱监测慢性疾病（如糖尿病、自身免疫性疾病和心血管疾病）是一种创新的疾病管理方法。miRNA 的表达谱在病理情况下会发生显著变化，使其成为疾病监测的有用指标。纳米级生物传感器被设计用于识别与慢性疾病相关的特定 miRNA，为医疗专业人员提供患者健康状况的实时信息。例如，在心力衰竭患者中，特定的 miRNA 特征与心脏重塑和炎症相关，通过定期使用非侵入性样本（如血液或尿液）评估这些 miRNA，临床医生可以更好地了解疾病的进展情况，并相应调整治疗方案。纸基生物传感器因其低成本和易用性，非常适合用于 miRNA 谱分析。这些设备可在各种医疗环境中使用，包括先进的医院和资源有限的偏远诊所。其便携性使其能够进行即时护理（POC）检测，实现及时治疗，预防慢性疾病的并发症。此外，将 miRNA 谱分析与机器学习技术相结合，可提高诊断准确性，通过分析多重检测产生的复杂数据集，识别可能表明疾病恶化或缓解的独特 miRNA 模式，从而制定针对每个患者需求的预防性治疗计划。

医疗保健中的可持续性和可及性

1. 纸基生物传感器的环保设计：纸基生物传感器的设计体现了对可持续性的承诺。以纸为底物，利用其可生物降解、成本低和易获取的特性，制造出环保的诊断工具。使用纸基生物传感器可减少塑料和其他不可生物降解材料的使用，从而减少医疗废物和对环境的影响。在生产过程中使用可持续材料（如 AuNPs 和 GO），不仅可以提高传感器的灵敏度和特异性，还符合绿色化学原则。这些纳米材料可以通过环保方法合成，确保整个生产过程的可持续性。此外，纸基生物传感器的制造方法（如丝网印刷和喷墨印刷）简单且资源和能源需求低，降低了生产成本，使其适合在资源有限的环境中使用。这些传感器采用非侵入性采样方法，使用尿液或唾液等易于获取的生物样品，不仅提高了患者的舒适度，还促进了定期健康监测和积极的医疗保健方法。将环保设计纳入诊断技术（如纸基生物传感器）是迈向更负责任和公平的医疗保健体系的重要一步。
2. 即时护理检测：弥合医疗保健差距：即时护理（POC）检测能够在患者治疗现场或附近快速获得诊断结果，正在改变医疗保健的提供方式。这种方法在填补医疗保健差距方面非常有效，特别是在服务不足或偏远地区，这些地区可能无法获得先进的实验室设施。POC 检测的快速性和便利性使医疗专业人员能够根据最新信息做出及时决策，最终改善患者预后。纸基生物传感器因其制造成本低、便携性和易用性，非常适合 POC 检测。这些设备可用于多种应用，如检测传染病原体或监测慢性疾病。例如，在孕产妇保健中，通过检测尿液样本中的特定生物标志物，纸基生物传感器可帮助早期发现子痫前期等疾病，实现及时干预，改善母亲和胎儿的健康结果。使用纸基生物传感器进行 POC 检测不仅促进了健康公平，还确保了不同背景的人都能获得必要的诊断服务。便携式生物传感器使当地医疗保健提供者能够在偏远或资源有限的环境中进行检测，而无需专门的实验室设备，增强了社区对自身健康的控制能力。此外，POC 检测鼓励患者参与医疗保健，例如孕妇可以在家中使用简单的手持设备检测尿液中的子痫前期生物标志物，这有助于做出明智的医疗保健决策，减少与妊娠监测相关的焦虑。

未来展望和挑战

1. 即将到来的创新：生物传感技术有望取得革命性进展，进一步扩展纳米级生物传感器的能力和应用。未来最引人注目的进展之一是引入先进的纳米材料，如二维材料（如过渡金属二硫族化合物和新型碳同素异形体），这些材料具有独特的电学和光学特性，可用于制造能够检测比现有技术更低浓度生物标志物的生物传感器，从而提高检测的灵敏度和特异性。生物传感技术与人工智能（AI）和机器学习的融合将彻底改变数据处理和解释方式。通过先进的算法，科学家可以分析多重检测产生的复杂数据集，发现与特定疾病相关的独特生物标志物特征，支持个性化医疗策略，使医疗专业人员能够根据每个患者的独特特征定制治疗方案。微流体技术也将迎来创新，微流体系统能够在芯片上操纵微小体积的流体，提高生物传感器的效率，加快样品处理速度。集成微流体平台将样品制备、检测和数据分析集成在一个设备中，将大大提高即时护理（POC）环境中诊断的速度和准确性。此外，开发环保的生物传感系统也备受关注，研究人员正在探索使用可生物降解材料制造传感器，这不仅有助于减少对环境的影响，还鼓励医疗保健专业人员合理使用资源。
2. 监管考虑和临床实施：随着生物传感技术的进一步发展，监管因素将对其治疗应用至关重要。纳米级生物传感器必须确保安全、有效和可靠，才能获得卫生当局的监管批准。这需要进行全面的测试和验证程序，以证明这些设备符合预定的性能标准。标准化生物传感器的测试程序是一个重大挑战，特别是对于使用先进纳米材料或复杂检测系统的传感器。监管机构需要制定明确的法规，考虑纳米级生物传感器的特殊性质，确保其在各种应用中产生准确和可重复的结果。为了实现这些技术的广泛临床应用，还需要解决可用性和可及性问题。医疗保健专业人员需要接受培训，以有效使用这些先进的诊断技术，并且应努力确保这些技术对所有人群（特别是资源有限环境中的人群）来说都是可及和负担得起的。解决这些挑战需要研究人员、行业利益相关者和监管机构之间的合作，通过鼓励坦诚的沟通和交流最佳实践，各方可以共同营造一个支持创新同时保障患者安全的环境。

纳米级生物传感器在诊断技术中具有革命性意义，为检测重要生物标志物（如 miRNA）提供了前所未有的灵敏度和特异性。通过整合纳米材料（如 GO 和金纳米颗粒），这些生物传感器能够实现疾病的早期检测和个性化治疗。miRNA 作为生物标志物的应用进一步改变了诊断方式，实现了准确、快速和非侵入性的健康监测。新兴技术（如 AI 和微流体技术）有望通过增强数据处理、诊断精度和样品处理能力，进一步提高这些生物传感器的性能。纸基生物传感器通过提供便携式和经济实惠的解决方案，为资源有限的环境带来了医疗保健的普及。纳米级生物传感器在促进早期检测、个性化治疗和公平获得医疗保健方面具有巨大潜力，有望改善全球健康结果，推动医疗诊断向积极主动的方向发展。