综述:基于纳米酶的多种传感模式组合生物传感器在临床生物标志物检测中的应用:生物传感策略、实际应用与未来展望

【字体: 时间:2025年06月03日 来源:Coordination Chemistry Reviews 20.3

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  (编辑推荐)这篇综述系统阐述了纳米酶(nanozyme)在生物传感领域的革命性应用,重点探讨了整合比色(CM)、荧光(FL)、电化学(EC)等多模式传感策略如何突破传统ELISA技术的局限,显著提升临床生物标志物(如肿瘤标志物、循环核酸)检测的灵敏度与可靠性。文章详述了Fe3O4等纳米材料的类酶活性(POD/CAT/OXD)、双/多模式交叉验证机制,及其在精准医疗(precision medicine)中的转化潜力,为复杂生理环境下的痕量检测提供了创新解决方案。

  

Abstract
精准医学的兴起凸显了生物标志物检测在疾病诊断、分期、治疗及预后中的核心作用。然而,早期疾病阶段生物标志物的低丰度对传统检测方法构成重大挑战。基于纳米酶的生物传感平台凭借高灵敏度、操作简便和成本效益等优势,成为变革性解决方案。近年来,多种信号输出模式(如比色、荧光、电化学)的纳米酶生物传感器迅速发展,而双模式及多模式传感策略通过整合多重信号输出,显著提升了复杂生理环境中的检测准确性与可靠性,展现出卓越的临床转化潜力。

Introduction
液体活检等微创技术的出现推动了肿瘤衍生细胞和核酸的早期检测,但传统方法如ELISA受限于天然酶(如HRP)的稳定性差、成本高及灵敏度不足。2007年Yan团队发现Fe3O4纳米颗粒的类酶活性后,金属氧化物、MOFs等纳米酶因其可调催化活性(POD/GOx等)和稳定性成为理想替代品。多模式传感通过交叉验证克服单一模式(如CM易受内源性POD干扰)的局限性,在血液等复杂样本中实现痕量标志物的便携式精准检测。

Synthesis strategies of nanozymes
纳米酶的合成方法包括水热法、溶胶-凝胶法等,其可控性与规模化生产直接影响生物传感器的重现性。例如,Fe3O4@MOF核壳结构通过协同效应增强POD活性,而金纳米颗粒(AuNPs)的表面等离子共振效应可同步增强CM与SERS信号。

Classification of biosensing strategies
纳米酶传感模式可分为:

  1. 比色传感:基于TMB-H2O2显色反应,适用于肉眼判读;
  2. 荧光传感:如碳量子点(CDs)的荧光猝灭/恢复机制;
  3. 电化学传感:通过电流响应量化H2O2分解产物;
  4. 多模式整合:如CM-EC联用传感器可同步获取视觉与定量数据,降低假阳性率。

Applications of biomarker detection
在肿瘤标志物(如PSA、CEA)检测中,Au@Pt纳米酶的双模式传感器检测限低至0.1 pg/mL;对于新冠病毒核酸,CRISPR-Cas12a耦合纳米酶的FL-CL系统实现单分子级灵敏度。此外,纳米酶传感器在心肌标志物(cTnI)、炎症因子(IL-6)检测中亦表现突出。

Conclusion and future perspectives
当前挑战包括纳米酶的选择性提升、复杂样本基质干扰消除及标准化生产。未来方向涉及人工智能辅助传感器设计、可穿戴设备集成及临床转化路径优化。纳米酶多模式传感技术有望重塑精准医疗格局,从实验室走向床边诊断。

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