甲状腺生物标志物监测：基于纳米材料的电化学平台、临床转化、即时检测技术及智能诊断方法

《Talanta》：Thyroid Biomarker Biosensing: Nanomaterial-Enabled Electrochemical Platforms, Clinical Translation, Point-of-Care Technologies, and Intelligent Diagnostics

　　• 电化学生物传感器在甲状腺生物标志物检测方面的全面概述
• 新型纳米材料的出现提高了检测灵敏度和分析性能
• 用于无创甲状腺监测的即时检测策略
• 人工智能辅助的可穿戴平台实现了个性化诊断

**引言**
甲状腺激素在调节新陈代谢、生长、发育和能量平衡方面起着核心作用。因此，准确监测甲状腺功能对于甲状腺疾病的诊断、治疗和长期管理至关重要，甲状腺疾病是全球最常见的内分泌疾病之一[1]。甲状腺功能障碍是由遗传倾向、自身免疫异常、碘平衡失调、环境暴露和生活方式相关因素等多种因素共同作用导致的。其中，自身免疫性疾病如桥本氏甲状腺炎和格雷夫斯病分别是甲状腺功能减退症和甲状腺功能亢进症的主要原因[2]。由于甲状腺疾病的临床表现（如疲劳、体重变化、心血管异常和神经精神症状）往往缺乏特异性，因此实验室检测甲状腺生物标志物对于可靠诊断和疾病监测仍然不可或缺[3]。全球约有2亿人受到甲状腺疾病的影响，且这一数字仍在增长，女性患病率明显高于男性，并随年龄增长而上升[4]。在印度，甲状腺功能障碍影响了近4200万人，其中甲状腺功能减退症是最主要的疾病类型[5]。尽管甲状腺疾病普遍存在，但由于临床表现轻微以及常规筛查的可及性有限，仍有大量患者未能得到及时诊断。延迟诊断可能会导致严重的代谢、心血管、神经和生殖系统并发症，这凸显了开发敏感、快速且易于使用的诊断方法的重要性[6]。甲状腺疾病的分析评估具有复杂性，因为甲状腺功能和疾病进展受多种生物标志物的影响，这些生物标志物在结构、生物功能和浓度上存在显著差异。这些生物标志物包括小分子激素（如三碘甲状腺原氨酸（T3）和甲状腺素（T4）；基于蛋白质的标志物（如甲状腺球蛋白和降钙素）；甲状腺特异性自身抗体；以及新兴的分子靶标（如微小RNA和循环肿瘤DNA）[7]。这些生物标志物在理化性质和生理浓度上的广泛差异给分析带来了巨大挑战。此外，许多甲状腺生物标志物在生物流体中的含量极低，且常伴有结构相似的化合物、转运蛋白和其他内源性干扰物，这些都可能影响分析结果的准确性[8][9]。生物基质的复杂性，加上需要检测与甲状腺功能障碍、自身免疫和恶性肿瘤相关的多种生物标志物，使得开发高灵敏度、选择性和可靠的分析平台变得十分必要，以实现宽浓度范围内的准确测量[10]。
电化学生物传感器作为一种有效的分析工具受到了广泛关注，因为它们能够将特定的生物分子识别事件转化为可测量的电信号，从而实现对生物标志物的灵敏检测。通过引入功能性纳米材料，其性能得到了进一步提升——这些纳米材料提供了较大的活性表面积，改善了导电性，加速了电荷转移过程，并提高了生物识别元件的固定效率[11]。这些优势使得信号传递更加高效，检测限更低，即使是在临床相关的微量浓度下也能有效检测甲状腺生物标志物。此外，电化学传感平台在复杂生物样本中表现出可靠的性能，并支持多重分析、微型化以及与便携式诊断系统的集成。这些特性使电化学生物传感器成为下一代甲状腺诊断的宝贵工具，有助于早期疾病检测、全面的生物标志物分析以及分散式医疗服务的实现[12]。

同时，甲状腺传感技术正从单一实验室规模的应用向集成诊断技术发展。便携式和快速检测格式、商用分析系统、灵活的可穿戴平台以及数字连接设备正在扩展生物标志物检测的应用范围。尽管本文主要关注电化学传感技术，但也考虑了化学发光、光电化学、光学和比色法等互补方法，这些方法在某些情况下可以提供有用的分析比较或展示实现敏感快速甲状腺生物标志物检测的替代途径。通过讨论这些方法，旨在将电化学技术的进步置于甲状腺诊断技术更广泛的演变背景中。数字生成的分析数据的日益丰富也为人工智能（AI）和机器学习（ML）在甲状腺诊断中的应用提供了机会。这些技术可以通过整合传感器输出与临床、生理或成像信息来支持信号解读、疾病分类、风险评估和纵向监测[13]。因此，这里将AI/ML视为高级传感技术的计算延伸，而不仅仅是独立的诊断工具。然而，其临床应用取决于数据质量、数据集多样性、可解释性、外部验证、隐私保护及互操作性[13]。

**纳米材料辅助的电化学生物传感技术**
本综述的独特之处在于它从整体角度探讨了纳米材料辅助的电化学生物传感技术在多种甲状腺疾病相关生物标志物检测中的应用。与仅关注单一生物标志物类别或传感策略的研究不同[12][14]，本文综合了甲状腺功能激素、与癌症相关的蛋白质和分子标志物、自身免疫生物标志物以及相关的内分泌靶标，研究了它们的不同分析需求如何影响传感器设计和性能。特别强调了纳米材料与电极界面工程、生物识别机制、电化学转换过程以及临床相关的分析指标之间的关联，从而实现了对传感平台全面评估（而不仅仅是检测限的比较）。文章还介绍了从实验室规模传感器到快速诊断格式、即时检测系统和商用分析平台的技术发展路径，突出了影响实际应用的技术因素。此外，本文还将AI/ML视为甲状腺生物传感技术的新兴扩展部分，将分析信号处理与疾病分类、风险评估和智能临床决策支持相结合。通过整合这些分析、技术和计算维度，本文超越了单纯列出传感器目录的层面，对将高性能实验平台转化为可复制、标准化、经过临床验证且具备智能辅助功能的甲状腺诊断系统提出了关键要求。

自2020年以来，相关出版物数量呈持续上升趋势，表明电化学生物传感器在甲状腺生物标志物检测领域的研究迅速扩展。本文所研究的文献是通过搜索相关科学数据库和出版商平台（使用“甲状腺生物标志物”、“甲状腺疾病”、“电化学生物传感器”、“电化学传感器”、“即时检测”、“纳米材料”等关键词及TSH、T3、T4、Tg和CT等具体生物标志物术语）获得的。研究范围涵盖了2017年至2026年间的文献，重点关注纳米材料辅助的电化学生物传感技术、分析性能、即时检测应用及新兴计算方法在甲状腺诊断中的应用[15]。图1A中的统计数据分析来自Dimensions数据库，使用“甲状腺生物标志物 + 电化学生物传感器 + 诊断”的搜索条件获取的数据，用于展示该领域的研究增长情况，但并不代表对整个甲状腺诊断文献的系统性或全面分析。近期市场分析显示，生物传感器和即时检测技术在主要地理区域的市场需求持续增长。北美继续保持着市场领先地位，欧洲紧随其后，亚太地区预计在未来几年内增长最快[15]。这些趋势表明，电化学生物传感器和可穿戴平台在甲状腺生物标志物检测方面的开发和商业化前景十分广阔[15]。

甲状腺功能由下丘脑-垂体-甲状腺（HPT）轴调节，其中促甲状腺激素（TSH）是调节甲状腺激素合成和分泌的主要信号[1B]。甲状腺主要分泌甲状腺素（T4），而少量三碘甲状腺原氨酸（T3）直接分泌，大部分循环中的T3是通过T4在外周组织中的脱碘作用生成的。循环中的甲状腺激素会对下丘脑和垂体活动产生负反馈，从而维持激素浓度在相对狭窄的生理范围内[1C]。这一调节轴的紊乱会导致TSH和甲状腺激素浓度的特征性变化，这是评估甲状腺功能的基础[1C]。超过99%的循环T3和T4与转运蛋白（如甲状腺结合球蛋白、转甲状腺素蛋白和白蛋白）可逆结合，而游离形式的FT3和FT4才是具有生物活性的形式[16]。因此，TSH以及临床需要时检测到的FT3是评估甲状腺功能的关键指标[16]。表S1总结了主要的甲状腺相关生物标志物、它们的生物学来源、参考范围、相关疾病及临床意义。

TSH通常是用于筛查和评估甲状腺功能障碍的主要生化标志物，而FT4则直接反映了循环中甲状腺激素的可用性。在某些甲状腺功能亢进症（如T3毒性甲状腺功能亢进症）中，FT3具有重要意义。总T3（TT3）和总T4（TT4）在特定临床情况下也具有参考价值，尽管它们的浓度可能受到激素结合蛋白变化的影响。综合检测TSH、FT3和FT4可以为区分正常、甲状腺功能减退和甲状腺功能亢进状态以及监测治疗反应提供互补信息[17]。

生物标志物的范畴不仅限于功能性甲状腺激素，还包括与甲状腺恶性肿瘤相关的标志物。甲状腺球蛋白（Tg）常用于分化型甲状腺癌的随访，尤其是识别治疗后的残留、复发或转移病灶。降钙素是髓样甲状腺癌的公认标志物，而前降钙素（PCT）因其分析特性和稳定性而被研究作为补充标志物。分子生物标志物进一步拓展了诊断范围，循环中的微小RNA（如miR-146b、miR-221、miR-222和miR-21）已被发现与甲状腺癌相关，并被视为微创检测的潜在标志物。同样，BRAF V600E突变是甲状腺癌的重要分子变化，对其与肿瘤特性、复发和预后的关系也有研究[18]。这些蛋白质和核酸靶标对生物传感器开发尤为重要，因为它们的检测能力可将甲状腺分析从传统的激素测量扩展到分子水平[18]。

甲状腺自身抗体为自身免疫性甲状腺疾病提供了补充信息。甲状腺过氧化物酶抗体（TPOAb）、甲状腺球蛋白抗体（TgAb）和促甲状腺激素受体抗体（TRAb）是主要的临床相关自身抗体。TPOAb广泛用于自身免疫性甲状腺炎的评估，有时可以在临床疾病出现前就被检测到；TgAb在自身免疫性甲状腺疾病中提供额外信息，尤其在基于Tg的监测中尤为重要，因为抗体干扰可能影响Tg的测量结果[19]。TRAb与格雷夫斯病密切相关，对疾病诊断和活动度及复发风险的评估非常有用。对这类抗体的敏感和高选择性检测需求推动了免疫传感器和其他亲和性传感技术的开发[19]。PTH和钙虽然不是主要的甲状腺生物标志物，但在接受甲状腺手术的患者管理中具有临床意义，因为术后甲状旁腺功能障碍可能导致低钙血症。PTH可以早期提示甲状旁腺功能异常，而钙测量有助于识别和监测术后的钙平衡紊乱[20]。

这些生物标志物代表了不同的甲状腺评估层面，从循环中的激素和蛋白质到自身抗体和疾病相关的核酸。它们在分子大小、浓度、生物基质和识别要求上的多样性给传感器设计带来了挑战。因此，一个单一的分析平台必须能够适应多种识别机制和转换策略，同时保持灵敏度、选择性、重复性和与复杂生物样本的兼容性。这种多样性为开发能够适应不同类型甲状腺相关靶标的纳米材料辅助电化学生物传感器提供了重要依据。

传统的免疫测定、分子方法和仪器技术（如CLIA、PCR和LC-MS/MS）仍然是甲状腺生物标志物分析的核心方法，因为它们具有公认的灵敏度、特异性和临床适用性[21]。然而，这些方法的常规使用通常依赖于集中式实验室、复杂的仪器设备和专业操作人员以及严格的分析流程。当需要快速或分散式检测时，这些要求可能成为限制因素，尤其是在样本处理和分析时间要求严格的情况下。这促使人们开发出能够在减少样本消耗、仪器需求和分析复杂性的同时保持分析性能的传感平台[22]。

电化学生物传感器正是满足这些需求的代表技术，因为它们可以将生物识别过程转化为电信号，且使用紧凑的换能器与微型化格式兼容。针对甲状腺激素、蛋白质、自身抗体和核酸，已经探索了安培法、伏安法、电位法和阻抗法等多种传感策略。然而，换能器本身并不能决定传感器的最终性能，电极界面决定了识别元件的固定效率、目标分子的到达活性位点的便利性以及识别事件转化为可测量电信号的效果。因此，界面工程已成为当前甲状腺生物传感器开发的关键。纳米材料为改进这一界面提供了灵活的手段[12]。他们的作用远远超出了增加名义电极面积的范围。根据其组成和结构，它们可以改变电子转移动力学、表面化学性质、生物受体负载、目标分子的可达性以及信号生成途径。由于金和其他贵金属纳米结构具有导电性和已建立的用于固定抗体、适配体和核酸探针的表面化学特性，这些纳米结构仍然被广泛使用[14]。碳纳米材料，包括石墨烯衍生物和碳纳米管，提供了易于功能化的导电网络，而金属和金属氧化物纳米结构则可以引入额外的电活性或催化功能[14]。金属有机框架（MOFs）通过其多孔性和可调节的化学性质提供了不同的优势，这些性质可以支持生物分子的负载和目标分子的富集，尽管它们有限的固有导电性通常倾向于与导电相结合使用。MXenes、量子点、金属硫属化合物以及导电聚合物通过结合导电性、催化性或表面功能进一步扩展了可设计的空间[10]。混合架构的使用增加反映了传感器设计的更广泛转变。与依赖一种材料来满足所有功能不同，基于纳米颗粒-碳、MOF-碳、金属氧化物-聚合物和MXene的系统在同一电极中结合了互补的特性。这样的架构可以在保持高识别位点密度的同时改善电荷传输，或将目标捕获与催化信号放大相结合。然而，重要的是，由此带来的分析改进不能仅仅归因于纳米材料的组成。颗粒大小和形态、孔隙率、表面化学性质、分散性、界面接触以及聚集都会影响电化学响应[11]。因此，即使基于相同的名义纳米材料制成的两种传感器，在制备或集成到电极中的方式不同，也可能表现出显著不同的性能。这种界面依赖性在比较日益增多的甲状腺生物传感器文献时是一个重要的考虑因素。

纳米结构的分析贡献也是多方面的。可访问的表面可以容纳更多的识别材料，导电路径可以促进电荷转移，而具有催化活性的纳米结构可以增强报告分子的反应。多孔结构可能有利于目标分子在电极附近的积聚，而作为载体的纳米材料可以在夹心型测定中增加识别或催化标签的数量。这些机制对于低浓度存在的生物标志物尤其相关，因为高效的捕获必须与有效的信号转导相匹配。然而，纳米结构界面的好处也取决于识别化学性质。抗体、适配体、核酸探针和分子印迹受体对于固定、定向、可达性和稳定性有不同的要求；因此，针对一种识别策略优化的界面可能无法为另一种提供同样的好处[14]。这些优势也应与真正的诊断性能改进区分开来。仅仅因为加入了纳米材料而获得的更低检测限本身并不能证明更大的临床实用性。合成过程、表面功能化、电极制备和储存的变化可能会影响重复性，而非特异性吸附、生物污染和基质成分可能会改变血清或其他生物样本中的响应。因此，除了选择性、重复性、稳定性和基质耐受性之外，还需要考虑灵敏度和检测限（LOD）[12]。对于甲状腺生物标志物来说，这一区别尤为重要，因为已有几种传统的测定方法提供了临床验证的测量结果。因此，只有当界面改进转化为更可靠、更易获取或在临床上更有用的测量结果时，基于纳米材料的传感器才能提供真正的进步，而不仅仅是在优化实验室条件下的有利分析参数。

这种界面工程的另一后果是电化学传感器与丝网印刷电极、微流控平台、柔性基底和可穿戴设备的兼容性不断提高[10]。这些格式为分散式甲状腺检测创造了机会，但也暴露了一些在传统实验室实验中不太明显的限制。当传感器朝着实际应用发展时，可重复的材料合成、均匀的电极修饰、储存稳定性、设备间的一致性和简单的样本处理变得至关重要。在这种情况下，极低的检测限可能不如从最小程度上处理的样本中获得可重复和临床可解释的结果更有信息量。总体而言，纳米材料对甲状腺电化学生物传感的贡献更多地体现在界面工程方面，而不仅仅是表面面积的增强。它们的价值取决于材料组成、结构、表面化学性质、识别化学性质以及电化学转导在电极界面的协同作用。这种观点也为比较报告的甲状腺生物传感器提供了更有意义的框架，而不仅仅是基于所使用的纳米材料进行分类。接下来的章节将分别探讨各个甲状腺生物标志物，考虑其识别要求、纳米结构界面和电化学转导策略，并特别关注界面设计的改进是否转化为可测量的分析优势和（如果得到证明的话）临床相关的优势。

**甲状腺刺激激素（TSH）**
TSH是一种约28 kDa的糖蛋白，在生理浓度下非常低（0.4–4.0 μIU mL-1），这使得灵敏和选择性的检测成为重要的分析挑战。因此，大多数报道的电化学平台依赖基于抗体的识别方法，因为抗原-抗体相互作用具有高亲和力和特异性，尽管也探索了基于适配体和分子印迹聚合物（MIP）的替代方法。报道的用于TSH的电化学生物传感器进行了总结。

**用于检测甲状腺癌生物标志物的生物传感器**
甲状腺癌生物标志物是与甲状腺恶性肿瘤的存在、进展或复发相关的分子。常见的生物标志物包括甲状腺球蛋白（Tg）、降钙素（CT）、前降钙素（PCT）、微小RNA（miRNAs）和BRAF基因突变。与主要反映激素状态的甲状腺功能生物标志物（如T3和T4）不同，癌生物标志物可以提供有关肿瘤负担、疾病侵袭性、治疗反应和复发风险的信息。

**商业甲状腺诊断平台的进步：从即时检测到高通量实验室分析**
商业即时检测（POC）技术由于能够快速、分散并提供临床可行的结果，已成为现代甲状腺诊断的核心。传统的实验室方法虽然精度高，但依赖集中式基础设施、训练有素的人员和多步骤的分析工作流程，导致临床决策延迟。相比之下，POC系统能够在患者现场直接进行近乎实时的生化评估。

**用于甲状腺监测的可穿戴传感器**
可穿戴生物传感技术的整合为甲状腺相关生物标志物的连续和分散监测创造了新机会。与传统实验室检测不同，可穿戴传感器可以通过汗液、唾液、间质液和眼泪等微创或非侵入性生物流体实时评估甲状腺激素和相关生物标志物。柔性电子技术的进步...

**人工智能和机器学习在甲状腺生物传感器和即时诊断设备开发中的应用**
人工智能（AI）和机器学习（ML）已成为生物传感和即时诊断（POC）领域中的变革性技术，为改善甲状腺疾病的检测和监测提供了新的机会[13]。对快速、准确和分散式甲状腺检测的日益增长的需求促进了计算智能与生物传感器平台的结合，以增强分析性能、数据解释和临床效果。

**在甲状腺生物标志物检测中推进电化学生物传感器的挑战和新兴策略**
电化学生物传感器由于其灵敏度、快速响应和与微型化诊断平台的兼容性，在甲状腺生物标志物检测方面具有巨大潜力。然而，将实验室原型转化为可靠的临床技术仍然具有挑战性，需要在材料工程、设备制造和临床验证方面取得进展[147]。包括抗体、酶和适配体在内的生物识别元件的稳定性在...

**未来的展望和甲状腺生物传感技术的新兴方向**
在过去十年中，用于甲状腺生物标志物检测的电化学传感器在分析灵敏度、选择性和微型化方面取得了显著进步。尽管如此，大多数报道的系统仍处于实验室概念验证阶段，只有少数经过了全面的临床验证。因此，未来的研究应更加重视分析可靠性、长期操作稳定性...

**结论**
由于高灵敏度、快速响应和适合微型化诊断系统，电化学传感器作为甲状腺生物标志物检测的分析工具受到了广泛关注。电极设计、信号转导、生物识别策略和功能性纳米材料的进步大大扩展了它们的分析能力。包括激素、自身抗体、蛋白质、核酸在内的多种甲状腺相关目标...

**作者贡献声明**
Ayyappa Bathinapatla：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿；Iqbal Pakrudheen：撰写 – 审稿与编辑；Suvardhan Kanchi：撰写 – 审稿与编辑；Supervision：监督

**伦理批准和参与同意**
不适用。

**出版同意**
不适用。

**数据可用性**
数据将根据请求提供。

**资金来源**
本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助。

**利益冲突声明**
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的利益冲突或个人关系。

**致谢**
不适用。

**Ayyappa Bathinapatla | Iqbal Pakrudheen | Suvardhan Kanchi**