《Aquaculture》：Immunoassay-based biosensing for aquaculture pathogen detection: A tiered and application-driven analytical framework
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水产行业面临病毒和细菌病原体导致的重大经济损失，传统诊断方法存在时效性和资源限制。本文提出基于应用驱动的三级免疫检测框架，包括实验室ELISA、现场LFIA和近实时免疫传感器，分析技术进展与挑战，强调系统化应用对下一代传感器的开发意义。
李文凯|徐志豪|何启毅|潘俊康|赵旭贤|刘文志|李东阳
浙江大学生物系统工程与食品科学学院，中国杭州310058
摘要
水产养殖对全球粮食安全至关重要；然而，由病毒和细菌病原体引起的疾病爆发继续对可持续生产构成重大挑战。传统的诊断方法通常耗时、资源密集，并依赖于集中式的实验室设施。基于免疫测定的方法作为一种多功能的生物传感平台应运而生，为实验室检测、现场应用以及新兴的连续监测场景提供了灵活的解决方案。本文提出了一种以应用为导向的框架，根据功能将基于免疫测定的生物传感平台分为三个互补的诊断层次。在该框架中，酶联免疫吸附测定（ELISA）作为定量参考平台，侧向流动免疫测定（LFIA）用于快速和分散式的筛查，而新兴的免疫传感器系统则展示了近实时或连续环境监测的潜力。我们批判性地分析了亲和试剂、信号转导策略和纳米材料整合方面的最新进展，同时强调了关键工程挑战，如基质干扰、鲁棒性和现场验证。通过将免疫测定视为一种分层且以应用为导向的生物传感系统，而非竞争性的分析技术，本综述为下一代水产养殖病原体生物传感器的开发提供了设计思路。
引言
水产养殖作为全球食物链的重要组成部分，常被称为“蓝色革命”。联合国粮食及农业组织（FAO）报告称，2020年水产品的产量达到了1.78亿吨，其中水产养殖贡献了8800万吨（占49%）（FAO，2022年）。此外，用于人类消费的水产品产量为1.57亿吨，预计到2030年将增加15%，以满足不断增长的人口需求（FAO，2022年）。水产养殖已成为当今全球食品系统中最具活力的领域之一。然而，随着养殖规模的扩大和养殖密度的增加，养殖环境的恶化不可避免，这反过来导致了更严重的水生动物疾病爆发和水产养殖业的经济损失（Mkulo等人，2024年）。水生疾病通过两种方式影响物种的经济价值：首先，高死亡率和生长受阻直接降低了养殖生产力；其次，患病的养殖产品口感差、外观不佳，并可能带来健康风险（Lafferty等人，2015a）。病毒和细菌病原体仍然是对水产养殖可持续性最严重的威胁，经常导致大规模死亡事件、生产力下降和严重的经济损失（Flegel，2019年）。水生动物疾病的年经济损失超过60亿美元（Stentiford等人，2017年）。与陆地畜牧业系统不同，水产养殖环境本质上是开放和动态的，这种特性使得病原体可以通过水路快速传播，并且养殖物种与野生物种之间频繁互动。在许多情况下，一旦出现临床症状，最佳干预时机就已经错过。因此，延迟或不适当的诊断决策可能导致疾病控制无效、死亡率上升和长期的生产损失。这些挑战凸显了迫切需要能够在水产养殖环境中及时、可靠且因地制宜地检测病原体的分析技术。
传统的水生动物疾病诊断方法包括组织病理学检查、病原体分离和培养，以及聚合酶链反应（PCR）等分子技术（Duman等人，2022年）。虽然分子方法具有高分析灵敏度和特异性，但它们对先进仪器、专业培训和集中式实验室设施的依赖限制了其在分散式、现场和实时生物传感应用中的适用性。基于培养的方法虽然提供了有价值的信息，但劳动密集且耗时，通常需要几天才能得出可操作的结果。这些限制使得它们在急性疾病爆发期间难以快速决策，尤其是在资源有限或基于现场的养殖操作中。从生物传感的角度来看，免疫测定是一类基于亲和力的传感架构，结合了高度特异性的分子识别和多样的信号转导策略。通过利用抗原-抗体相互作用，基于免疫测定的平台为多种分析格式的病原体检测提供了多功能的基础（Li等人，2025年）。由于其相对较低的成本、操作简便性和适应性，免疫测定已在临床诊断（Fang等人，2024年）、环境监测（Liu等人，2024b）和食品安全检测（Gao等人，2025年）中得到广泛应用。在水产养殖中，鉴于涉及的复杂生物基质和频繁的快速现场诊断需求，这些特性尤为重要。
与陆地动物相比，水生生物通常暴露在复杂且动态的环境中，导致生物样本具有较高的基质复杂性。此外，水产养殖疾病监测通常需要快速、现场的诊断方法。这些特性给基于免疫测定的检测方法带来了特定挑战，需要开发适用于水产养殖环境的坚固、灵敏且现场适用的诊断工具。总结用于检测水产养殖病原体的免疫测定的最新进展对于水产养殖业的可持续发展和有效健康管理至关重要。目前，关于从免疫测定角度研究水产养殖病原微生物的综述很少。例如，Huang等人（Huang等人，2023年）报道了一篇关于检测水产养殖中小分子污染物的生物传感策略的综述，但该综述关注的是小分子污染物而非病原体。Shyam等人（Shyam等人，2022年）概述了用于检测鱼类和虾类病原体的基于抗体的侧向流动色谱法，并详细介绍了试纸条的配置和相关应用。其他综述仅总结了水产养殖微生物病原体的传统诊断方法（Adams和Thompson，2011年）。现有的综述主要集中在个别检测格式或比较分析灵敏度上，而对不同免疫测定平台如何作为互补的生物传感系统在水产养殖疾病管理工作中协同工作关注较少。
为解决这些不足，本综述采用了一种以应用为导向和以生物传感为中心的框架，将用于检测水产养殖病原体的基于免疫测定的平台分为三个互补的诊断层次（图1）：（i）基于实验室的监测和确认性诊断，其中优先考虑定量准确性和标准化；（ii）快速和现场筛查，其中操作简便性、速度和分散化至关重要；（iii）具有近实时或连续环境监测潜力的新兴免疫传感平台。通过强调功能角色、工程挑战和转化相关性，本综述将免疫测定视为一种分层且以应用为导向的生物传感系统，而非竞争性的分析技术。它提供了设计思路，有助于开发未来用于检测水产养殖病原体的下一代生物传感器，这些传感器也对食品安全和环境监测具有更广泛的意义。
章节片段
水产养殖和水产养殖业中的病毒和细菌威胁
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水产养殖生产不断受到多种病毒和细菌病原体的威胁，这些病原体影响鱼类、甲壳类动物和软体动物（Lafferty等人，2015a）。这些病原体在基因组类型、传播动态、宿主特异性和致病机制方面存在显著差异。因此，了解这些生物学特性对于合理设计诊断策略至关重要。
基于ELISA的水产养殖病原微生物检测免疫测定
ELISA仍然是水产养殖诊断中最广泛采用的免疫测定平台，主要是因为其鲁棒性、高通量和定量分析能力（Xiong等人，2020年）。在实际的水产养殖疾病管理中，ELISA不是作为快速筛查工具，而是作为群体水平的实验室监测参考方法。ELISA有多种形式，如夹心法、竞争法和间接法等，以及其他应用。
基于LFIA的水产养殖病原微生物检测免疫测定
LFIA被广泛认为是用于快速现场检测水生病原体的即时诊断工具。基于免疫层析原理，LFIA结合了抗体介导的识别和毛细管驱动的流体传输，无需专用仪器即可实现可视化读数。与基于实验室的免疫测定相比，LFIA在速度、便携性和易用性方面牺牲了一些分析灵敏度。
基于免疫传感器的水产养殖病原微生物检测免疫测定
虽然ELISA和LFIA平台是水产养殖中基于免疫测定的基础，但越来越多的关注集中在基于免疫传感器的系统上，这些系统旨在提高分析灵敏度、定量分辨率和时间响应性。通过将免疫测定视为一种分层且以应用为导向的生物传感系统，本综述提供了相关设计思路，有助于
讨论、结论和未来展望
水产养殖疾病管理面临着来自病毒和细菌病原体高度多样性、复杂的水生基质以及不同操作环境中对及时诊断信息需求的持续挑战。在这种背景下，基于免疫测定的分析技术为病原体检测提供了多功能和适应性强的工具箱，涵盖了实验室监测、现场筛查和新兴监测概念。
在本综述中，最近的研究进展包括
CRediT作者贡献声明
李文凯：撰写——综述与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思。徐志豪：初稿撰写、监督、项目管理、数据管理。何启毅：撰写——综述与编辑、数据管理。潘俊康：可视化、数据管理。赵旭贤：撰写——综述与编辑。刘文志：数据管理。李东阳：撰写——综述与编辑、监督、资金筹集。
未引用的参考文献
Chen等人，2023b
Chen等人，2022a
Lafferty等人，2015b
Liu等人，2024a
Yang等人，2021b
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD2402800和2023YFE0119300）、国家自然科学基金（82273632）以及西杭州科技创新走廊创新发展专项计划（516001-X02401）的支持。
