综述：用于人工生物标志物的微流控技术：从合成到诊断

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Microfluidic Strategies for Artificial Biomarkers: From Synthesis to Diagnosis

人工生物标志物通过设计生化或物理化学响应实现疾病相关信号检测，弥补传统生物标志物的不足。微流控技术凭借精准流体控制、低试剂消耗和多功能集成，在人工生物标志物的合成优化、预临床评估及检测中发挥关键作用。本文系统分类微流控平台，分析其适用场景，探讨技术整合对加速人工生物标志物临床转化的重要性。

　　

卢王|高彦峰|吕健|滕超|宋玉军

南京鼓楼医院胃肠与疝外科，南京大学工程与应用科学学院，生命科学分析化学国家重点实验室，中国南京210023

摘要

人工生物标志物是通过设计的生化或物理化学反应产生疾病相关信号的人工系统，它们在灵敏度、特异性和可控性方面补充了内源性生物标志物。然而，其开发仍受到精确合成、生理相关性评估以及在复杂样本中可靠分析的挑战。微流控技术提供了一个多功能平台，可以通过精确控制流体和反应、低试剂消耗、高重复性以及多步骤工作流程的集成来解决这些问题。本文总结了人工生物标志物的主要类别和设计要求，讨论了关键的微流控平台类型和平台选择考虑因素，并介绍了与人工生物标志物开发相关应用，包括合成与优化、临床前评估与模拟以及检测与分析读出。我们还指出了当前的局限性和转化挑战，并探讨了如何通过合理整合微流控策略来更好地支持人工生物标志物的未来发展与转化。

引言

早期和准确的疾病诊断对于改善治疗结果和降低死亡率至关重要[1]、[2]。传统的诊断方法，如组织活检和成像，虽然被认为是临床金标准，但具有侵入性和成本高昂的特点，并且常常无法在疾病初期阶段检测到疾病[3]、[4]、[5]、[6]。相比之下，非侵入性诊断方法，特别是液体活检，已成为早期疾病检测和长期监测的变革性工具[7]、[8]。通过分析血液、唾液或尿液等生物流体，液体活检能够在患者几乎不受影响的情况下检测到与疾病相关的生物标志物，并允许实时评估治疗效果。然而，目前依赖内源性生物标志物的液体活检策略（包括循环肿瘤细胞[9]、细胞外囊泡[10]、[11]、[12]、循环DNA或RNA[13]、[14]、[15]、[16]、[17]以及蛋白质[18]、[19]）面临诸多挑战，例如低丰度、循环不稳定性和复杂生物基质的干扰。

为了解决这些局限性，研究人员越来越多地转向人工生物标志物，即能够在特定病理信号作用下被激活或生成的人工分子探针[20]。这些人工生物标志物可以设计成与疾病相关的酶、微环境或分子通路相互作用，产生可检测的外源信号，从而克服其内源性对应物的不稳定性和背景噪声[21]。这样的工程系统为精准医疗开辟了新的可能性，使得体内看不见的分子事件能够通过非侵入性采样转化为可测量的读数[20]、[21]、[22]。

尽管取得了快速进展，人工生物标志物的开发和转化仍受到精确探针合成、系统性能优化以及可靠临床前评估的挑战。微流控技术已成为人工生物标志物合成和读出的有力平台，因为它能够以精确的流动控制（例如层流、基于液滴的流动和分段流动）对流体和反应进行可编程操作，同时仅需极少的样本和试剂体积。此外，微流控系统可以在单个设备中集成样本制备、反应、分离和检测，实现流程的简化和自动化；它们还易于与多种信号转导模式（包括光学、电化学和比色读数）兼容，从而支持多模式检测。这些能力共同促进了可控的纳米探针合成和功能化[23]、[24]、体外代谢评估（在器官芯片OoC环境中[25]、[26]）以及临床样本中的多重检测和信号放大[27]。这些能力使微流控技术不仅仅是一个微型化的分析工具，而且是在人工生物标志物开发多个阶段中潜在的重要支持技术。

因此，本综述围绕人工生物标志物开发过程中出现的关键要求展开，探讨了不同微流控平台如何应对这些要求。我们首先概述了人工生物标志物的起源、分类和设计要求，然后讨论了主要的微流控平台类型、它们的操作特性以及选择平台时的主要考虑因素。在此基础上，我们研究了与人工生物标志物开发相关的三个主要领域的微流控应用：合成与优化、临床前评估与模拟以及检测与分析应用（图1）。最后，我们讨论了当前的局限性和未来发展方向，特别关注平台集成、标准化、可制造性、转化准备情况以及新兴机会，如人工智能辅助的系统设计和便携式格式。通过这种结构，我们旨在明确微流控技术的独特价值所在、存在的重大局限性，以及如何通过更合理的微流控策略整合来加速人工生物标志物的未来发展。

部分摘录

人工生物标志物

2.1 起源与衍生

人工生物标志物[28]、[29]、[30]，也称为合成[20]或工程生物标志物[22]，是设计用于体内给药并在特定疾病相关刺激下被激活以生成可测量信号的外源分子系统。为了在整个综述中保持一致性，除非另有说明，我们使用“人工生物标志物”这一术语来指代这类生物标志物。与内源性生物标志物相比，

主要微流控平台类型及其特性

微流控系统可以根据多个维度进行分类，许多综述已经系统地总结了这些分类框架[62]、[63]。在这里，我们根据它们在人工生物标志物开发中的潜在适用性对主要微流控平台进行了分类。代表性的平台包括基于液滴的微流控、离心微流控、SlipChips、基于纸张的微流控和器官芯片OoC系统（图4）。

基于液滴的微流控涉及

合成与优化

微流控技术因其能够精确控制流体流动、热量、质量传递和反应动力学，已成为制备高质量纳米探针、放射性示踪剂和功能化微球的重要平台。这些纳米结构也是体内人工生物标志物的关键纳米级传感组件。

首先，在光学和电子纳米材料的智能原位合成方面，微流控技术显著提高了结构均匀性

结论、挑战与展望

微流控技术正逐渐成为人工生物标志物开发、早期疾病诊断和个性化医疗平台的强大工具。然而，尽管前景广阔，微流控平台的实际应用和临床转化仍面临技术性和监管层面的重大挑战。与传统生物标志物相比，微流控平台的监管重点通常集中在分析和临床方面

人工智能的应用

作者仅使用人工智能辅助工具进行语言润色和可读性改进。本手稿的科学内容、数据、结果或结论均未使用任何人工智能工具生成。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

宋玉军：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取。滕超：撰写 – 审稿与编辑。卢王：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析、概念化。吕健：撰写 – 审稿与编辑。高彦峰：撰写 – 审稿与编辑、监督

数据可用性声明

支持本研究发现的数据可在本文的补充材料中找到。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22477056、22504087）、中央高校基本科研业务费（2024300315）、国家重点研发计划（2019YFA0709200）、江苏省重点研发计划（BE2021373）以及生命科学分析化学国家重点实验室（5431ZZXM2304）的财政支持。