《Microbial Pathogenesis》：Biosensor-Based Diagnosis for Infectious Diseases: Nano-Enabled Revolution
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纳米生物传感器通过整合纳米材料（如金、银、量子点）显著提升检测多重耐药病原体（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）的灵敏度与速度，兼具快速、低成本、高特异性等优势，为即时检测（POCT）和资源受限地区提供革新性诊断方案。
Fathy M. Elkady|Nasir A. Ibrahim|Bahaa M. Badr|Amr H. Hashem|Rafik A. Metwally|Ayman Salama|Nosiba S. Basher|Mohammed S. Abdulrahman
开罗阿兹哈尔大学药学院微生物学与免疫学系（男生），邮政信箱11884，埃及
摘要
传染病（IDs）对全球健康构成了重大威胁，而多重耐药（MDR）和抗菌素耐药（AMR）病原体的出现加剧了这一威胁。传统的诊断方法，如培养特性分析、显微镜检查和聚合酶链反应（PCR），虽然可靠，但常常面临周转时间长、成本高以及需要专业基础设施和训练有素的人员等挑战。相比之下，基于生物传感器的诊断方法作为一种快速、经济且灵敏的检测不同病原体的手段应运而生。本文深入探讨了生物传感器的原理、结构组成和分类，特别强调了专为传染病诊断设计的纳米技术平台。生物传感器通常由生物识别元件、信号转换器和数据处理器组成，能够通过多种方式（包括光学（荧光、表面等离子体共振（SPR）、化学发光、比色法、电化学（安培法、电位法、阻抗法）和质量敏感型）将分子相互作用转化为可测量的信号。本文系统地根据转换机制（光学、电化学、质量敏感型和磁性）和生物识别因素对生物传感器进行了分类，并分析了各自的优缺点。生物传感器还根据生物受体类型进行分类，包括适配体、抗体、酶、肽和整个细胞，每种类型都具有不同的识别机制。纳米材料（NMs）如金、银、氧化镁、量子点（QDs）和碳纳米管（CNTs）的集成提高了纳米生物传感器的灵敏度、微型化程度和适用性。本文还重点介绍了能够特异性检测大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的纳米生物传感器，强调了它们的临床意义和低检测限。最后，本文讨论了当前的技术限制以及未来的创新方向，包括多重检测、人工智能（AI）集成和提升生物传感器的便携性。通过实现早期和精确的耐药病原体识别，纳米生物传感器在诊断微生物学领域带来了革命性的进步，尤其是在资源有限的环境中。总体而言，本文表明纳米生物传感器为传统诊断技术提供了快速且经济高效的替代方案，对于早期发现多重耐药病原体和疫情控制具有关键意义。
引言
自人类诞生以来，各种传染病的爆发一直对人类生活产生重大影响[1]。这些疾病是全球主要的健康挑战之一，据世界卫生组织统计，每年导致超过1300万人死亡，其中多数为儿童和年轻人[2]。此外，传染病由无数种病原体引起。随着多重耐药或抗菌素耐药病原体的出现，传统抗菌药物对这些病原体的有效性显著下降[3],[4]。2019年，抗菌素耐药菌株直接导致127万人死亡，间接导致全球204个国家共495万人死亡[5]。因此，迫切需要采取多种策略来预防或减缓抗菌素耐药性的发展[6],[7],[8],[9]。
通过准确、快速地识别传染病的致病因子，可以避免其带来的危险后果[10]。临床误诊通常与使用过时的技术有关，例如显微镜鉴定、培养特性分析和生化行为检测[11]。尽管这些基于培养的金标准检测方法可用于检测活细菌病原体，但它们成本高昂、耗时且劳动密集[12]。同样，免疫测定法（如基于PCR的方法）由于依赖分子标记物的检测，难以在常规分析中广泛应用，因为操作复杂、耗时且需要专业人员和昂贵的设备[14],[15]。因此，选择快速、经济且准确的诊断技术对于临床诊断不同病原体至关重要，有助于全球范围内预防由这些病原体引起的传染病[16]。此外，早期发现多重耐药病原体对患者治疗也有重要指导作用[18]。
人体通过免疫系统或味觉、嗅觉等感官，利用多种天然生物传感器精确区分各种刺激。目前，最成功的设备之一是葡萄糖生物传感器，用于测量血糖浓度[19]。同样，利用基于生物传感器的分析技术准确检测传染性病原体可以带来显著优势（表1）[20]。这些技术准确、特异性强、可靠、高效、快速、选择性强，并且具有优异的便携性和微型化潜力，同时能耗低[21],[22]。生物传感器的制造是一个涉及材料科学、化学、物理和电子学的多学科过程[23]。
此外，结合微流控技术和纸基技术的纳米生物传感器促进了紧凑型、低成本且用户友好的诊断设备的发展，适用于现场检测（POC）项目。这些系统能够在资源有限的条件下快速识别各种科学和环境样本中的病原体。最新研究显示，这些传感器能够检测到低至飞摩尔浓度或单位数CFU/mL的病原体（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌），证明了它们在早期预警和疫情控制方面的能力[24]。
本文讨论了生物传感器的组成、工作原理和分类，特别关注用于构建纳米生物传感器的各种纳米材料。同时，根据其转换机制和生物识别元件对生物传感器进行了分类，强调了纳米材料在提高传感器效率和性能方面的作用。此外，本文还探讨了纳米生物传感器在快速检测多重耐药细菌方面的应用进展，并指出了该领域面临的挑战及未来发展方向。
传感器
传感器是测量和控制设备中的第一个组成部分。它的作用是将周围环境变化和刺激产生的生物、化学、物理或其他形式的信息转换为另一种可测量的形式。根据特定规则，这种更易于传输、处理和测量的信息形式通常是电信号或光信号。
生物传感器分类
根据转换组件的转换系统（即检测基础、转换方式或信号输出类型），生物传感器主要分为：基于吸收、表面等离子体共振或发光测量的光学生物传感器；基于电流、电位或阻抗变化的电化学生物传感器；以及基于弯曲或共振频率变化的机械生物传感器[50]。
纳米生物传感器
纳米材料的至少一个外径小于100纳米，具有较高的表面积与质量比。因此，它们在物理、化学、热学、电学、光学、等离子体、电子导电性和机械性能方面优于宏观材料[56],[89]。此外，通过调整合成参数可以改变纳米材料的光物理和物理化学性质[50]。
生物传感器中常用的纳米材料
纳米技术通过整合纳米材料（如纳米颗粒（NPs）、静电纺丝纳米纤维和石墨烯量子点（QDs）来改进生物传感器的亲和力、选择性和检测多种细菌的效果[22],[45]。目标分析物可以通过含有不同类型纳米材料（如金属、碳纳米管、量子点或氧化石墨烯）的生物探针进行识别。纳米生物传感器还可以利用纳米载体进行结合[50]。
根据生物受体类型分类的纳米生物传感器
纳米生物传感系统能够在多种传感介质（包括缓冲液、尿液、痰液或血液）中检测多种临床重要的病原体，如病毒、细菌、核酸、抗原、毒素、药物甚至整个细胞[150]。与传统实验室技术相比，纳米生物传感设备在快速、灵敏和特异性检测传染病方面具有显著优势[151]。
基于细菌检测的纳米生物传感器
表（6）展示了几种用于检测高毒性病原体的纳米生物传感器类型。
结论
纳米生物传感器在传染病诊断方面代表了革命性的进步，提供了快速、灵敏且经济高效的替代方案。它们与微流控技术和纸基平台的结合实现了现场检测的分布式应用，特别是在资源有限的环境中。通过利用纳米材料和多种转换机制，这些生物传感器有助于早期发现多重耐药病原体，从而优化临床决策和疫情控制。
CRediT作者贡献声明
Mohammed S. Abdulrahman：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、概念构思。
Ayman Salama：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。
Nosiba S. Basher：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。
Fathy M. Elkady：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、正式分析、概念构思。
Nasir A. Ibrahim：撰写 – 审稿与编辑、资源获取。
Rafik A. Metwally：撰写 – 审稿与编辑。
Bahaa M. Badr：
伦理批准和参与同意
不适用
临床试验编号
不适用
出版同意
不适用
数据可用性
不适用
利益冲突声明
作为本文的通讯作者，我代表所有作者声明，与本文所述工作不存在任何财务利益冲突。
资助
本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究处的支持和资助。[资助编号：IMSIU-DDRSP2602]
利益冲突声明
作为本文的通讯作者，我代表所有作者声明，与本文所述工作不存在任何财务利益冲突。
