综述：从运动到诊断：工程化的微/纳米机器人为即时检测技术带来了新的可能性

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：From motion to diagnosis: Engineered micro/nanorobots enabling new capabilities in point-of-care testing

　　

任凯毅|刘晓霞|王勇|郭金红

上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化与智能传感系，上海200240，中国

摘要

即时检测（POCT）对于快速、分散式的诊断至关重要，通过及时的临床干预显著改善了患者的治疗效果。然而，传统的POCT平台受到被动扩散的限制，这限制了它们在复杂生物基质中的灵敏度、特异性和响应时间。微/纳米机器人（MNRs）作为一种变革性的解决方案，克服了这些热力学限制。通过利用自主运动，MNRs引入了主动的质量传输和局部对流，极大地增强了分析物与探针之间的相互作用。本综述全面探讨了MNRs在POCT中的新兴作用，系统地研究了它们与比色法、表面增强拉曼光谱、基于运动的传感以及电化学传感模式的集成。此外，我们还详细概述了它们在临床应用中的稳健性。我们批判性地分析了现有的转化挑战，并探讨了由手持式“实验室在机器人上”系统和人工智能增强型自主诊断所塑造的未来发展方向。最终，本综述强调了MNRs在革新POCT方面的前所未有的潜力，使得在各种临床环境中实现高度准确、可访问和智能的疾病检测成为可能。

引言

即时检测（POCT）是现代医疗保健的一个重要方面，能够在患者所在地或附近实现快速准确的诊断。[1] 这种方法通过提供即时结果，促进了及时的医疗决策，减少了对大型实验室设施的需求，并改善了患者的治疗效果。POCT在传染病筛查[2]、慢性病管理[3] [4]和急诊护理[5]等领域变得越来越重要，其中及时诊断至关重要。便携式诊断设备的出现以及对快速现场检测的需求，使得POCT成为医疗行业的核心焦点，特别是在资源有限的环境中以及需要快速干预的患者中。尽管POCT技术取得了显著进展，但当前的诊断方法仍存在局限性，尤其是灵敏度和特异性不足、设备操作复杂以及难以进入受限或复杂的生物环境。此外，对于早期疾病（其中生物标志物含量极少）实现高精度检测仍然是一项具有挑战性的任务。这些问题凸显了需要更先进、高效且用户友好的技术，以在实时环境中增强诊断能力。

微/纳米机器人（MNRs）是解决POCT这些挑战的最有前景的方案之一。它们的小尺寸、在纳米尺度上执行特定任务的能力以及导航复杂生物环境的能力，使它们成为下一代诊断平台的理想候选者。[6] [7] MNRs可以被设计成针对并与其他生物标志物相互作用，提供高灵敏度和特异性。通过利用它们的独特特性，如自主运动和执行分子识别任务的能力，MNRs可以显著提高疾病检测的效率和准确性，特别是在癌症诊断、传染病筛查和基因检测等领域。将MNRs集成到POCT系统中，有可能消除对大型设备的需求并缩短检测时间，从而实现快速、准确的POCT诊断。

尽管人们对MNRs在POCT中的潜力越来越感兴趣，但对其在这一特定领域的应用进行彻底回顾仍然有限。大多数现有综述主要关注MNRs在治疗应用或体内干预中的使用，[8] [9] [10]，而对它们在诊断中的作用，特别是在POCT中的作用关注较少。然而，将MNRs集成到POCT系统中也引入了一些挑战，包括确保精确控制和导航、保持良好的生物相容性、管理潜在的毒性以及克服与微型化和实时诊断功能相关的技术复杂性。解决这些障碍对于成功部署基于MNR的POCT技术至关重要。因此，文献中的这一空白突显了需要一篇专门的综述，不仅探讨MNRs在疾病检测中的当前状态，还识别出它们集成到POCT系统中的挑战、机遇和未来发展方向。

本综述旨在通过提供MNRs在POCT中应用的全面概述来解决当前的知识空白，特别关注它们在疾病检测中的作用。综述系统地讨论了这些机器人诊断技术背后的核心传输和信号检测机制，特别是探讨了它们与比色法、表面增强拉曼光谱、运动学和电化学传感模式的集成。随后，我们对这些平台在疾病检测中的实际应用进行了分类和分析，强调了它们在快速传染病筛查、从液体活检到单细胞分析的多尺度肿瘤学诊断以及慢性病和急性生理紧急情况的主动管理中的作用。此外，综述还讨论了限制临床部署的主要转化瓶颈，包括在复杂生物流体中实现自动化工作流程、在不分离物理样本的情况下开发稳健的信号检测方法，以及在便携性和诊断灵敏度之间的平衡。最后，我们展望了由手持式实验室在机器人系统和人工智能驱动的自主诊断决策的未来发展方向。通过深入探讨这些方面，本综述揭示了MNRs在下一代即时诊断中的变革潜力。

章节片段

工程化机器人平台中的传输和信号检测机制

MNRs通过实现移动、高灵敏度和智能的传感范式，正在重塑POCT的格局，超越了传统固定平台的限制。传统的POCT设备严重依赖目标分析物向静态传感器表面的被动扩散，这是一个热力学瓶颈，严重限制了灵敏度并延长了响应时间，尤其是在处理高粘度生物基质中的超低浓度生物标志物时

通过直接捕获病原体实现传染病的快速前线筛查

传染病的快速准确诊断对于及时临床干预和控制疫情至关重要。传统的诊断方法，如细胞培养和聚合酶链反应（PCR），虽然非常准确，但耗时且劳动密集，通常仅限于集中式实验室。[46] POCT平台旨在解决这些限制，但它们经常受到质量传输受阻和严重背景干扰的影响

克服限制机器人诊断平台临床部署的实际瓶颈

将MNRs集成到POCT中具有巨大的潜力，可以彻底改变诊断领域。然而，尽管这些技术在准确性、效率和微型化方面具有前景，但它们的广泛临床应用仍面临重大挑战。本节探讨了与POCT应用相关的具体挑战，并概述了这些技术在临床环境中发展的潜在未来方向。

实现全面自动化

结论

MNRs已成为POCT领域的一种变革力量，从根本上将诊断范式从被动、扩散受限的检测方法转变为主动、对流驱动的检测方法。本综述系统地探讨了工程化MNRs如何弥合先进纳米技术和实际临床诊断之间的差距。通过将自主运动与多种信号转导策略相结合，涵盖比色法、SERS、运动学和电化学模式，MNRs有效地克服了

CRediT作者贡献声明

郭金红：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。王勇：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。刘晓霞：撰写——审稿与编辑。任凯毅：撰写——初稿

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究没有使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（CSTB2024NSCQ-JQX0012, CSTB2023NSCQ-MSX0728）、国家自然科学基金（82402730）和重庆市教育委员会的科学技术研究计划（KJQN202300447）的支持。