《Sensors and Diagnostics》：Nanozyme-based aptasensors: emerging platforms for infectious disease diagnosticsOpen Access
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尽管现代医学取得了显著进步，由细菌、病毒和真菌引起的传染病仍然是一个持续的全球健康挑战，而日益增长的抗菌药物耐药性威胁使这一问题进一步复杂化。传统的诊断方法，如培养法、核酸扩增测试（NAAT）和酶联免疫吸附测定（ELISA），通常需要专门的实验室基础设施、训练
尽管现代医学取得了显著进步，由细菌、病毒和真菌引起的传染病仍然是一个持续的全球健康挑战，而日益增长的抗菌药物耐药性威胁使这一问题进一步复杂化。传统的诊断方法，如培养法、核酸扩增测试（NAAT）和酶联免疫吸附测定（ELISA），通常需要专门的实验室基础设施、训练有素的人员以及较长的周转时间，限制了其在分散式检测中的适用性。这些局限性加剧了对满足世界卫生组织REASSURED标准的即时检测技术的兴趣。在此背景下，纳米酶适配体传感器已成为一类有前景的生物传感平台，它结合了适配体卓越的目标识别能力与纳米酶的催化稳定性、可调谐性和成本效益。本综述对用于传染病诊断的纳米酶适配体传感器进行了批判性概述。研究人员讨论了适配体和纳米酶的基本特性，并考察了关键的传感策略，包括夹心型、基于吸附/解吸的动态型和表面功能化的静态型纳米酶系统。研究人员批判性地评估了它们在检测临床相关细菌和病毒病原体中的应用，特别关注了分析性能、真实样本验证、抗菌药物耐药性相关检测和诊断相关性。最后，研究人员讨论了将这些平台转化为实用即时检测技术当前面临的挑战，并提出了推进基于纳米酶的适配体传感器技术的未来方向，包括适配体-纳米酶协同设计、新兴病毒检测、噬菌体相关机遇、人工智能辅助传感器开发以及多通道诊断平台。
论文主体内容总结
1. 引言
传染病由细菌、病毒、真菌等病原微生物引起，持续造成巨大的全球公共卫生负担，导致高发病率和死亡率，并影响抗菌药物管理。及时准确的诊断是有效临床管理和疫情控制的关键组成部分。然而，不同感染间重叠的临床症状、新型或再发病原体的持续出现以及抗菌药物耐药性菌株的日益流行常常使诊断准确性变得复杂。抗菌药物耐药性增加了额外的诊断维度，因为仅鉴定病原体通常不足以指导适当的治疗。快速区分抗生素敏感菌株和耐药菌株对于抗菌药物管理、早期优化治疗以及减少对经验性广谱抗生素的依赖至关重要。传统诊断方法如培养法、聚合酶链反应和酶联免疫吸附测定虽然灵敏度和特异性高，但需要复杂的实验室基础设施、熟练人员和较长处理时间，限制了其在资源有限环境下的可扩展性和可及性。因此，大量研究工作致力于开发符合世界卫生组织REASSURED标准的生物传感技术。适配体是通过指数富集的配体系统进化过程生成的短单链DNA或RNA寡核苷酸，能以卓越的亲和力和特异性结合靶标，同时具有优于抗体的化学和热稳定性、低免疫原性、易于合成修饰和低成本等优势。纳米酶是具有内在类酶催化活性的纳米材料，相较于天然酶具有更高的催化稳定性、可调活性、易于表面功能化以及与复杂生物基质的兼容性。将适配体与纳米酶作为催化换能器相结合，催生了被称为纳米酶适配体传感器的新型生物传感平台，有望成为下一代即时检测技术的候选方案。
2. 适配体和纳米酶的基本原理
2.1 适配体作为识别元件
适配体是合成的单链DNA或RNA，通常长度为15-100个核苷酸，包含一个中央随机区域和两侧的两个保守引物结合区。通过分子内碱基配对，适配体折叠成明确的二级和三级结构，使其能够与目标分子发生高度特异的相互作用，因此被视为“化学抗体”。适配体可通过SELEX过程生成，这是一个迭代的体外筛选技术，从包含约1013至1015个独特序列的大型随机寡核苷酸文库中筛选高亲和力结合物。对于传染病检测，SELEX流程常根据目标病原体的生物学性质进行调整。细胞-SELEX以完整病原体细胞作为筛选靶标，能够在无需预先了解特定目标表位或其纯化形式的情况下产生高亲和力适配体。蛋白基SELEX则适用于高度保守或功能必需的表位，提供精确的表位特异性。此外，针对革兰氏阴性菌的脂多糖和革兰氏阳性菌的磷壁酸/脂磷壁酸等保守细菌细胞壁成分的适配体也已成功开发，可用于革兰氏分类水平的初步筛查。
2.2 纳米酶作为催化换能器和信号放大器
纳米酶是一类具有内在类酶催化活性的纳米材料，相较于天然酶具有优异的稳定性、鲁棒性和可调性。该领域已迅速扩展到多种材料，包括金属、金属氧化物、金属硫化物、金属有机框架和碳基纳米结构。这些纳米材料可模拟过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等多种天然酶的催化活性。纳米酶的催化行为源于其独特的物理化学特性，包括大的表面积与体积比、众多的活性位点和可调的电子结构。在生物传感系统中，纳米酶主要作为催化换能器或信号放大元件，将分子识别事件转换为可测量的分析输出，已成功集成到比色、荧光、化学发光、电化学和表面增强拉曼散射等各种传感平台中。对于传染病检测，纳米酶的催化信号放大显著提高了检测灵敏度，某些纳米酶还具有光热活性等其他理化性质，可同时实现病原体检测和抗菌治疗。
3. 纳米酶适配体传感器的设计策略
3.1 夹心型纳米酶适配体传感器
夹心型构型是最成熟和应用最广泛的纳米酶适配体传感器策略之一。在这种方法中，一个适配体固定在固体支持物上作为捕获探针选择性结合目标病原体，另一个适配体与纳米酶偶联作为检测探针。在目标存在下形成适配体-目标-适配体夹心复合物，从而将纳米酶定位在检测界面。通过比色、荧光、表面增强拉曼散射或电化学读数测量纳米酶的催化活性，可间接但高灵敏度地定量目标。为了克服多步固定和洗涤步骤的限制，基于溶液的夹心法通过引入磁性纳米颗粒实现了溶液中的双识别。侧流层析装置是纳米酶基适配体传感器最具转化潜力的平台之一，其中适配体修饰的纳米酶不仅参与目标识别，还作为催化报告子，在底物添加后产生二次比色信号，实现迁移后信号放大，显著提高检测灵敏度。
3.2 基于吸附/解吸的动态纳米酶适配体传感器
另一种广泛探索的传感策略依赖于吸附/解吸相互作用，其中适配体以目标浓度依赖的方式调控纳米酶的催化活性。适配体通过非共价作用吸附到纳米酶表面，充当分子门，阻止催化底物接近纳米酶表面，导致催化活性降低。当引入目标病原体时，由于适配体对其同源目标的亲和力高于对纳米酶的亲和力，适配体从纳米酶表面解吸并形成适配体-目标复合物，从而恢复纳米酶活性。这种概念最初用于小分子检测，随后扩展到病毒和细菌检测。一些研究还展示了通过调节传感探针浓度来调制关键分析参数的能力。改进版本包括在适配体-目标孵育后引入纳米酶，或在纸基平台上实现这一传感策略，显示出在即时检测环境下的应用潜力。
3.3 适配体功能化的静态纳米酶适配体传感器
除了依赖动态相互作用的系统外，研究人员也致力于将适配体永久性功能化到纳米酶表面，创建静态纳米酶适配体传感器。适配体功能化后大部分纳米酶活性得以保留，但这些适配体-纳米酶偶联物在与目标相互作用时会丧失活性。适配体固定通常通过共价键或配位键实现，如硫醇-金属配位或连接子介导的偶联。固定策略的选择取决于纳米酶表面的理化性质和适配体的化学修饰，对适配体取向、目标可及性和催化活性有重要影响。一些研究表明适配体修饰可以改变表面性质促进催化反应，但暴露于目标细菌后，由于细菌细胞与表面结合适配体的相互作用限制了底物进入催化位点，纳米酶活性呈目标浓度依赖性下降。也有研究报道了相反的调控趋势，即目标结合后纳米酶活性增强，这归因于细菌-适配体-纳米酶复合物对底物的亲和力改善。
