综述:分化簇36介导的心血管疾病炎症与脂质代谢:从机制到新型疗法

《Antioxidants》:Cluster of Differentiation 36-Mediated Inflammation and Lipid Metabolism in Cardiovascular Diseases: From Mechanisms to Novel Therapies

【字体: 时间:2026年06月09日 来源:Antioxidants 6.6

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  纳米生物传感器凭借其独特的理化性质,已成为神经退行性疾病与精神疾病诊断和监测的变革性工具。本文系统综述了纳米材料体系与集成传感模式在神经系统疾病诊断中的最新进展。首先,研究人员阐明了纳米材料在生物传感器中的多重功能角色,包括信号放大、界面优化及空间定位,并基于

  
纳米生物传感器凭借其独特的理化性质,已成为神经退行性疾病与精神疾病诊断和监测的变革性工具。本文系统综述了纳米材料体系与集成传感模式在神经系统疾病诊断中的最新进展。首先,研究人员阐明了纳米材料在生物传感器中的多重功能角色,包括信号放大、界面优化及空间定位,并基于不同纳米材料比较了各类传感原理的适用场景。其次,研究人员评估了分子识别元件(抗体、核酸适配体、分子印迹聚合物及CRISPR-Cas系统)的设计与集成策略,并探讨了其提升检测性能的协同整合机制。在检测靶标方面,研究人员聚焦于三大应用场景:已确立蛋白生物标志物的高灵敏度定量检测、动态神经化学物质(多巴胺、血清素、谷氨酸)的实时监测,以及外泌体货物、循环microRNAs等新兴液体活检靶标。最后,针对复杂基质中生物污染、灵敏度与选择性权衡、多重检测等核心挑战,研究人员提出了下一代诊断技术的三个突破方向:多模态与多重分析平台的深度融合、闭环化学脑机接口(cBCI)以及人工智能驱动的预测诊断模型,共同推动神经系统疾病管理从被动检测向主动感知与干预转变,实现精准、快速、无创的疾病管理。
  1. 1.
    引言
    神经退行性疾病与精神疾病是全球范围内发病率和患病率均居高不下的两类主要神经系统疾病,但其诊断面临的挑战存在本质差异。阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)等神经退行性疾病的诊断核心挑战在于“滞后性”:这类疾病进展缓慢,AD患者脑内Aβ沉积、tau蛋白过度磷酸化等病理改变在临床症状出现前十余年就已发生,但当前临床诊断通常在明显症状出现后才得以确立,此时神经损伤往往已不可逆,现有干预手段在疾病晚期疗效有限,因此早期诊断成为改善患者预后的关键因素。与之相对,抑郁症和精神分裂症等精神疾病的诊断困境主要源于“主观性”:这类疾病缺乏客观量化的生化指标,诊断高度依赖症状学评估,且精神分裂症与情感症状的复杂交织进一步增加了鉴别诊断难度,可靠生物标志物的缺失不仅阻碍了疾病的精准分型,也限制了个性化治疗策略的开发。
    当前神经系统疾病诊断的局限性很大程度上源于传统检测手段的固有缺陷,如酶联免疫吸附测定(ELISA)、磁共振成像(MRI)/正电子发射断层扫描(PET)及质谱技术。具体而言,检测灵敏度不足常导致诊断延迟,而有创操作限制了临床实用性:脑脊液(CSF)分析虽能可靠反映中枢神经系统病理改变,但腰椎穿刺的高度有创性使其难以用于常规筛查和连续动态监测;MRI和PET等神经影像学技术不仅成本高昂,且仅在疾病进展出现明显结构或代谢异常时才呈阳性结果,无法满足极早期诊需。在生物标志物检测领域,灵敏度不足的问题尤为突出:疾病早期的分子事件相关生物标志物浓度极低,通常在飞摩尔至皮摩尔(fM-pM)水平,而传统比色ELISA灵敏度一般仅达纳克每毫升(ng/mL)级,灵敏度更高的化学发光ELISA可达皮克每毫升(pg/mL)级,但仍无法达到早期生物标志物检测所需的fM-pM级灵敏度,这种技术差距导致大量早期病理信号被生物体液复杂背景掩盖,阻碍了跨血脑屏障的外周信号的准确解读。因此,开发兼具突破灵敏度限制与无创或微创检测能力的新型诊断技术,成为神经系统疾病早期精准诊断领域亟待解决的核心科学问题,而基于纳米材料的生物传感技术(纳米生物传感器)被视为最具潜力的途径之一。
    生物传感技术的本质是对检测灵敏度和信号传输效率的追求。在神经系统疾病早期诊断需求的驱动下,该技术正从宏观光学检测向界面信号放大演进,具体聚焦于电极-电解质界面(纳米材料加速电荷转移)和分析物-生物识别元件界面(靶标结合事件的精准转导)。早期免疫比浊法受限于信号阈值,灵敏度较低;ELISA虽通过酶促放大将检测灵敏度提升至纳摩尔/毫摩尔水平,但多步操作流程和介质限制使其无法满足fM-pM级生物标志物的检测需求;电化学生物传感器可实现实时响应,但传统平面电极比表面积有限、界面电荷转移动力学受限,难以稳定捕获超低浓度神经系统生物标志物。克服传统传感器灵敏度瓶颈的关键在于纳米材料独特的尺寸效应和界面特性:纳米材料具有高比表面积、高效电荷转移能力和可编程功能化特性,可协同提升临床转化所需的三大核心属性——灵敏度、选择性和抗污染能力。通常定义为尺寸1-100 nm的材料,纳米材料凭借极高的比表面积-体积比产生独特理化性质,包括增强的催化活性、可调谐的光学发射和优异的电学性能。首先,纳米材料是高效的分子固定化平台,也是电荷转移动力学的“加速器”,例如在AD早期诊断用超低密度β淀粉样蛋白寡聚体电化学生物传感器开发中,尺寸优化的金纳米颗粒通过增大电活性表面积和构建电子传导通路显著降低界面阻抗,这种特定的纳米材料整合使原本无法检出的飞克级目标神经生物标志物信号得以快速捕获。其次,纳米材料丰富的表面化学性质支持定制化界面工程,这是传统宏观平面电极难以实现的能力:纳米材料允许主动设计和精确调控传感微环境,例如优化空间取向、调整固定密度、维持生物识别元件(如抗体或适配体)的活性构象,以最大化靶标捕获效率;表面配体工程等化学修饰策略可提升电极-溶液界面的电荷转移速率,带来更快的电子传输、更短的响应时间和更高的信号强度;此外,通过设计分子印迹复合聚合物(MICP)等纳米复合材料,可检测分子结合引起的微小电导变化,实现对皮摩尔级浓度生物标志物的捕获。综上,纳米材料的整合推动了检测从宏观溶液分析向微观界面调控的转变,不仅解决了传统方法长期存在的灵敏度不足和界面反应受限问题,还建立了从单分析物富集到多重信号输出的完整技术框架,为应对神经系统疾病早期诊断挑战奠定了坚实基础。
    本综述聚焦于纳米材料界面工程如何解决生物传感器的灵敏度与选择性权衡问题、减轻生物污染、实现复杂生物流体中的多重检测,最终推动早期微创神经诊断技术的临床转化。
  2. 2.
    纳米材料体系与集成传感模式
    纳米生物传感器的性能根本上由其界面设计决定,这使得纳米材料在现代生物传感器中得到广泛应用,其广泛适用性依赖于两大关键因素:纳米材料与传感机制的深度融合,以及分子识别元件的持续优化。本章重点阐述纳米材料在电化学生物传感器中的功能角色和传感原理,为理解其在神经系统疾病诊断中的基础作用提供系统性框架。
    2.1 纳米材料在生物传感器中的功能角色
    信号放大始于纳米材料本身,其高比表面积以及与蛋白质、核酸等生物分子几何尺寸(1-100 nm)的可比性,使其成为高效的信号增强剂。这种尺寸兼容性允许高密度固定识别探针并促进有效靶标捕获,从而提升检测灵敏度。与此相辅相成的是分子识别界面的优化:纳米材料具有可编程的表面化学性质,其极高的比表面积和丰富的表面修饰位点可通过自组装单层膜或共价偶联策略精确调控纳米界面化学。与传统平面表面因比表面积有限、功能基团稀疏常导致生物受体取向随机、固定密度低和显著非特异性吸附相比,纳米结构表面优势显著:特定纳米材料(如直径5-20 nm的纳米颗粒)的高曲率因空间位阻降低,有利于生物受体通过末端基团(如抗体的Fc区)进行位点特异性附着;此外,纳米材料表面高密度的功能基团允许精确控制固定密度和取向,在最小化非特异性吸附的同时最大化活性结合位点的可及性。此外,纳米材料可实现高精度空间定位,例如纳米电极尖端可将电化学传感的时空分辨率提升至单细胞水平,促进亚细胞区域信号的精准捕获。
    2.2 纳米生物传感器的分类:传感模式与材料体系
    不同传感原理对纳米材料的理化性质有不同要求,材料特性与传感原理的恰当匹配是实现高性能检测的关键。
    2.2.1 电化学传感:碳基纳米材料
    电化学生物传感器通过将生物识别元件(如抗体)固定在固相载体上并利用特异性分子相互作用实现定量检测。在纳米材料增强的生物传感器中,分析物扩散至传感表面的生物识别层发生分子识别,该相互作用产生的化学信号经纳米材料放大或调制后,由换能器转换为可测量的电信号。在此过程中,纳米材料发挥多重功能角色,可分为信号放大、分子识别界面优化和空间定位三大类。
    碳基纳米材料如石墨烯和碳纳米管凭借高导电性、宽电位窗口和优异的可印刷性主导了电化学生物传感领域。这些材料可构建具有高比表面积和快速电子转移动力学的传感界面,促进对神经递质(如多巴胺和血清素)的高灵敏度实时监测,因此被广泛集成到植入式电极和脑机接口中,为帕金森病等疾病机制研究提供重要支持。
    例如,Qi等开发的碳包覆微电极(CCM)能以亚秒级时间分辨率捕获脑脊液中多巴胺的毫秒级动态变化,检测限低至5 nM,显著提升了神经递质释放和再摄取过程的分析能力。此外,碳纳米管与石墨烯量子点复合材料表现出优异的电催化选择性,可实现多巴胺、尿酸和抗坏血酸的同时检测,为多靶标分析提供了新范式。
    尽管优势显著,碳基电极在实际应用中仍面临生物大分子非特异性吸附导致的信号衰减问题,这也限制了石墨烯场效应晶体管(GFET)在复杂生物流体中的灵敏度和选择性。为解决这一问题,研究人员提出氟化共价有机框架(F-COF)薄膜修饰策略,该方法在增强器件抗生物污染能力的同时赋予其分子筛分功能,从而提升检测可靠性。
    2.2.2 光学/SERS传感:贵金属纳米材料
    贵金属纳米材料如金和银是表面增强拉曼散射(SERS)和局域表面等离子体共振(LSPR)传感的核心组分。在特定波长激发下,这些材料产生局域表面等离子体共振,形成电磁“热点”,显著放大拉曼信号。基于SERS的检测一般分为无标记(直接)检测和标记(间接)检测两类。
    无标记SERS通过分析物直接与纳米结构表面结合后捕获其固有拉曼指纹,该方法简单快速但灵敏度可能较低。例如,基于适配体修饰介孔金和金包覆磁性纳米颗粒的无标记SERS平台对脑脊液中Aβ寡聚体的检测限达0.15 pM。相比之下,标记SERS利用识别元件(如抗体、适配体)上的拉曼报告分子,以检测复杂性增加为代价获得更高灵敏度,例如由金纳米棒和MXene量子点组装的混合等离子体纳米探针可检测血浆中17.38 pg/mL的神经丝轻链(NfL),其适配体-脱氧核酶-纳米膜系统的灵敏度显著高于传统ELISA。因此,无标记SERS适用于具有强拉曼信号分子的快速筛选,而标记SERS则更适用于低丰度生物标志物的超灵敏检测,总体而言,选择取决于速度/简便性与灵敏度/多重检测能力之间的平衡。
    尽管贵金属纳米颗粒具有灵敏度高、成本低等优势,但在分析复杂生物样品时仍易受基质干扰,且大规模生产中等离子体性质的可控性是临床转化的关键挑战。为解决这些问题,当前策略包括在金表面添加防污层,以及结合紫外激光干涉光刻与离子铣削,已将LSPR波长的标准偏差缩小至10 nm以内,显著提升了制备纳米材料的可重复性。
    2.2.3 荧光/光电化学传感:量子点与半导体材料
    在荧光传感领域,量子点和硅纳米粒子等材料因其可调谐发射光谱和高量子产率被广泛应用,检测机制通常依赖荧光共振能量转移(FRET)或光诱导电子转移(PET)。
    在光电化学(PEC)传感中,半导体材料通过光生电子-空穴对的高效分离实现检测。例如,Yang团队利用硅纳米粒子与神经递质之间的氢键相互作用构建了同步荧光光谱指纹平台,成功区分多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素,检测限低至2.50 nM;基于量子点的纸基传感器实现了多巴胺的视觉检测,检测限低至0.38 nM,为即时检测提供了便携式解决方案。
    在PEC领域,Zhang团队开发了单原子位点修饰的Zn-N4/TiO2传感器,采用原子级“分子对接”靶向去甲肾上腺素,响应时间仅60 ms,成功实现了癫痫小鼠多脑区的同步监测。
    尽管取得进展,单原子材料仍面临催化活性降低和制备成本高的挑战,恶劣工作条件下防止原子团聚仍是关键问题,将单原子催化剂集成到微型器件中并建立连接理论预测与实际性能的标准化指标是解决这些挑战的关键策略。
    2.2.4 磁性纳米材料:分离、富集与多模态检测
    磁性纳米材料如Fe3O4主要用作复杂样品中微量目标物质的捕获载体,常与SERS、SPR等技术结合实现多模态高灵敏度检测。
    例如,Fernandez Flores等开发的抗体包覆磁性纳米线ExoAssay可快速从血浆中分离中枢神经系统来源外泌体并检测Aβ和p-tau水平;Jang等利用转铁蛋白修饰磁性纳米颗粒在35分钟内从帕金森病患者血浆中分离脑源性外泌体,随后分析8种microRNA的表达谱;此外,金包覆磁性纳米颗粒结合适配体修饰介孔金被用于构建检测Aβ寡聚体的无标记SERS平台。
    功能化磁性纳米颗粒具有纯度高、回收率高优势,可实现复杂生物基质中外泌体的特异性捕获,但进一步提高捕获效率和实现多靶标同时检测仍是待解决的技术挑战。
    除多模态信号读出外,磁性微粒和纳米颗粒在推进即时检测(POCT)设备发展中具有重要战略意义,尤其对于电化学生物传感平台。在临床诊断中,神经生物标志物浓度低常需大量样品前处理,磁性载体作为高分散“移动基底”可从大体积复杂生物流体(如血浆或CSF)中快速捕获并预浓缩微量靶标,通过施加简单外部磁场即可轻松分离负载生物标志物的磁珠,彻底洗涤以消除基质干扰,并无缝定位于丝网印刷电极表面。这种磁辅助预浓缩不仅显著放大电化学信号,还简化了分析工作流程,是开发稳健、现场可部署诊断工具的基石策略。
    2.2.5 电催化与协同传感:金属氧化物与杂化纳米材料
    除碳基和贵金属平台外,过渡金属氧化物(如CeO2、MnO2、ZnO)及其杂化纳米复合材料凭借优异的电催化活性、丰富的氧空位和成本效益,已成为生物传感器开发的重要组成部分。这些金属氧化物具有可变价态,可显著加速目标分析物的氧化还原动力学,但为克服纯金属氧化物电导率低的固有局限,常与高导电性碳纳米材料或贵金属结合形成协同杂化体系。
    在这些杂化结构中,各组分相互弥补缺陷:金属氧化物为生物分子识别提供高密度催化活性位点,而碳或贵金属基体确保超快电子传递路径。例如,金属氧化物与石墨烯或碳纳米管结合的杂化界面已证明对神经炎症生物标志物和中枢神经系统关键神经递质(如多巴胺和过氧化氢H2O2)具有显著的信号放大能力。通过结合多种转导机制,这些杂化纳米材料成功突破了单组分材料的性能瓶颈,为复杂神经疾病诊断提供了高度通用的平台。
    2.3 分子识别元件的设计与整合
    分子识别元件作为生物传感器的“传感前端”,直接决定传感器的选择性、亲和力和整体分析性能。从发展角度看,分子识别元件呈现两大演化趋势:从生物来源向人工合成转变,以及从单模式识别向构象调控与协同整合过渡。
    本小节系统综述四种代表性识别元件(抗体、核酸适配体、分子印迹聚合物(MIP)和CRISPR-Cas系统)在神经系统疾病诊断中的研究进展,重点关注其与纳米材料的协同整合机制。其中,CRISPR-Cas系统是核酸检测的新兴工具,与传统需要复杂热循环和大量样品制备的PCR不同,CRISPR-Cas系统提供快速、等温的靶标识别,具有旁系切割介导的信号放大,使其在分散式检测和即时应用中极具优势,且CRISPR-Cas系统的可编程性使其能够轻易与基于纳米材料的信号转导平台整合。
    2.3.1 抗体:经典识别元件的优势与局限
    抗体作为经典识别元件,具有高特异性和高亲和力优势,单克隆抗体已广泛用于多种蛋白生物标志物的免疫检测。例如,基于抗体的电化学免疫传感器已成功应用于AD患者脑脊液中Aβ42和磷酸化tau蛋白的定量分析,检测限达皮克每毫升级。
    然而,抗体生产依赖动物免疫或杂交瘤技术,存在批次间差异大、成本高和热稳定性有限的缺点;此外,抗体在复杂生物流体中易发生构象变化和非特异性吸附,导致传感器信号漂移和假阳性结果,这些弊端推动研究人员寻求更稳定可控的替代识别元件。
    2.3.2 核酸适配体:可编程的化学抗体
    核酸适配体是通过体外筛选技术(SELEX)获得的单链DNA或RNA寡核苷酸,能够特异性识别蛋白质、小分子甚至离子。与抗体相比,适配体具有多项显著优势:可化学合成、批次稳定性高、支持可编程修饰且耐受严苛条件,适用范围更广。
    更重要的是,适配体的构象灵活性使其能够通过诱导契合机制识别靶分子细微的结构差异,这对神经退行性疾病相关蛋白质的构象选择性检测尤为重要。
    近年来,人工智能(AI)辅助SELEX技术显著加快了适配体筛选进程。通过应用机器学习算法深入分析SELEX数据,可快速识别高亲和力、高特异性的候选序列,为发现神经退行性疾病相关适配体提供强大工具。例如,Amu等近期的一项研究对硬化蛋白靶向适配体采用机器学习驱动的SELEX后修饰策略,使用基于422个修饰适配体-靶标亲和力数据集训练的堆叠集成模型(结合随机森林、XGBoost和LightGBM)实现预测与实际结合亲和力相关系数达0.82,AI优化后的适配体亲和力(皮摩尔KD)较未修饰适配体提高105倍,生物活性提升3.2倍,凸显了AI定量增强适配体性能的能力,超越了传统试错筛选。此外,生物信息学工具的应用能够从高通量测序数据中高效筛选适配体,有效克服了传统筛选流程耗时耗力的挑战。
    尽管优势众多,但必须认识到这些核酸受体的固有局限性,特别是在非标准化条件下的分析稳健性。近期综合研究表明,适配体的生物识别现象高度依赖环境微条件,最显著的是离子强度和特定缓冲液组成。由于适配体靶标结合依赖分子内相互作用决定的精确三维折叠,复杂生物流体中盐浓度或pH波动可显著改变其构象并损害结合亲和力。因此,尽管适配体在优化的实验室缓冲液中表现优异,但其直接过渡到原始临床样本分析通常需要严格的重新验证和潜在的序列重工程以维持分析稳健性。
    2.3.3 分子印迹聚合物:合成抗体与界面工程
    分子印迹聚合物(MIP)是通过在聚合物基质中构建与目标分子形状、大小和官能团分布匹配的三维空腔实现特异性识别的合成材料。MIP具有优异的稳定性,耐高温高压,可长期储存而无生物污染风险,因此常被称为“合成抗体”。当与金属纳米颗粒、碳纳米管和量子点等纳米材料结合时,MIP可构建性能媲美传统抗体传感器的传感平台。
    为解决神经递质结构类似物(多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素,仅相差一个羟基)的区分难题,研究人员采用分子印迹技术创建去甲肾上腺素的特异性空腔,MIP提供选择性,而结合具有高时间分辨率的PEC检测实现快速信号采集(响应时间60 ms)。需注意,这种快速响应主要反映检测系统而非MIP本身,因为目标分子扩散并结合印迹空腔仍需秒到分钟级时间尺度,但对于预平衡体系或连续流装置,60 ms响应时间证明了传感器一旦建立靶标结合即可跟踪快速浓度波动的能力,这种MIP选择性与PEC读出的结合实现了去甲肾上腺素的实时动态监测。在多巴胺检测方面,研究人员开发了以MIP为仿生识别基质的集成微针条带仿生传感器,实现快速无标记检测,为即时诊断提供便捷工具;此外,还开发了基于硼酸亲和力的MIP有机电化学晶体管(OECT)传感器用于多巴胺检测,该OECT采用聚苯胺(PANI)作为有机沟道材料,多巴胺与MIP修饰栅电极上硼酸基团的特异性结合改变栅电位,进而调控PANI沟道的掺杂状态和电导率,产生灵敏的选择性电化学信号。
    MIP与纳米材料的协同作用从多方面提升传感器性能:在碳纳米管或石墨烯表面修饰MIP可利用纳米材料高比表面积增加印迹位点密度,同时通过改善电子转移效率降低检测限。这一原理已扩展到设计固态纳米孔系统,每个功能化特定MIP的纳米孔可实现多巴胺、γ-氨基丁酸(GABA)和组胺等神经递质的多重检测、控释和边缘计算。除小分子神经递质外,MIP还可模拟抗体识别蛋白生物标志物,如在AD相关Aβ蛋白检测中避免了生物污染和批次差异问题。
    2.3.4 CRISPR-Cas系统:核酸识别的范式转变
    CRISPR-Cas系统的引入为核酸生物标志物检测带来了范式转变。当与纳米材料换能器结合时,CRISPR-Cas12/13系统无需传统PCR扩增即可实现靶核酸序列的特异性识别,与传统基于PCR的方法相比显著缩短周转时间,特别适用于外周血中痕量(fM级)神经元相关microRNAs的直接定量分析。重要的是,尽管这种快速检测能力对开发未来即时诊断设备至关重要,但目前大多数系统仍处于实验室原型阶段。
    近期研究证实了该方法的优势:例如,一项基于CRISPR/Cas12a、Cas13a和Cas14a系统的无标记microRNA生物传感技术综述强调了纳米材料辅助平台的关键作用,包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、碳纳米管、量子点、二氧化硅纳米结构和磁性复合材料在信号增强中的作用,凸显了此类平台在无扩增、高灵敏度核酸检测中的巨大潜力。因此,CRISPR-Cas系统与纳米材料换能器的整合有望成为下一代分子诊断的关键方向。
    基于这些技术进步,研究人员已将CRISPR平台应用于特定神经疾病的诊断,最显著的是阿尔茨海默病(AD)。在该领域,开发了称为“CRISPR-AD”的数字检测方法用于血液中蛋白质和microRNAs的联合检测,大幅提升了AD诊断性能。该平台结合CRISPR/Cas12a的精准识别能力与纳米材料的信号放大效应,实现AD相关生物标志物的高灵敏度、高特异性检测。Guo及其同事开发了基于CRISPR/Cas12a的无标记电化学发光(ECL)生物传感平台,以Aβ寡聚体为靶标生物标志物,无需额外信号放大即可实现超灵敏准确检测,为AD早期诊断提供了创新策略。此外,研究人员将CRISPR/Cas12a基因编辑技术与纳米移液管结合,构建了Aβ寡聚体检测的双模式信号传感器,荧光响应与AβO浓度呈强线性关系(R2=0.99557),证明了CRISPR技术在蛋白生物标志物检测中的扩展适用性。除AD外,Jahani等报道了金纳米颗粒辅助的CRISPR-Cas12a增强荧光法用于NfL的超灵敏检测,检测限达阿摩尔级,为神经退行性疾病早期筛查提供了高灵敏度工具。
    CRISPR诊断的应用不仅限于AD,还涵盖帕金森病(PD)等其他神经疾病。研究人员开发了基于CRISPR的玻璃纤维智能床旁诊断平台,定量检测PD患者血清中多种细胞因子,该平台采用抗体-DNA偶联策略,细胞因子结合触发CRISPR-Cas12a激活,进而实现信号放大读出。该系统还采用机器学习算法进行智能数据分析,成功区分PD与非典型帕金森综合征。基于CRISPR-Cas12a的传感器也已用于检测PD相关α-突触核蛋白基因突变和多巴胺代谢相关基因多态性。除PD外,Zhou和Zhang团队开发了基于CRISPR-Cas13a的三维纳米结构表面等离子体共振成像传感器,通过在四面体DNA支架上定向识别探针并经由CRISPR转录-切割活性放大信号,实现AD相关miR-137的无扩增检测。
    值得注意的是,CRISPR-Cas系统在神经退行性疾病中的作用不仅限于诊断,还显示出显著的治疗潜力。一项系统综述全面评估了该技术在神经疾病领域的最新进展,涵盖机制研究、治疗应用和转化挑战。因此,随着递送系统的持续优化、人工智能的整合以及监管框架的完善,CRISPR-Cas技术有望成为神经退行性疾病的疾病修饰干预手段。
    2.3.5 固定化与功能化策略
    生物传感器的性能、稳定性和重现性不仅取决于生物识别元件的内在亲和力,还关键取决于其固定到纳米材料换能器上的有效性。不当的固定可能导致分子取向随机、空间位阻、分子浸出,最终导致生物活性严重损失。因此,采用多种功能化策略构建稳定且高活性的传感界面:
    共价偶联:仍是实现高长期稳定性的金标准,常见策略包括EDC/NHS交联化学(在蛋白质和功能性碳/金属氧化物纳米材料的羧基与氨基之间形成稳定酰胺键)和硫醇-金属化学(如硫醇化DNA/适配体与贵金属纳米颗粒之间形成强韧的Au-S键),共价结合防止传感器降解并允许靶向取向。
    基于亲和力的固定化:生物素-链霉亲和素系统等相互作用因其在不同pH和温度条件下具有极高的亲和力和结构稳定性而被广泛青睐,该方法允许对抗体等大型识别元件进行高度定向取向,最大化其捕获效率。
    物理吸附:虽具有无需化学修饰的简便优势,但通过静电或范德华力吸附在洗涤步骤或复杂生物基质中易解吸,因此通常与保护膜结合使用。
    表面钝化和间隔基工程:为防止空间位阻和非特异性污染,纳米材料表面常预先功能化自组装单层膜(SAM)或聚合物刷(如PEG或两性离子层),这些功能界面作为精确控制的支架,确保相邻生物受体之间的最佳间距以维持其天然三维构象。
    通过针对特定纳米材料-生物受体对精细定制固定策略,传感界面可有效将分子识别事件转化为放大的可测量信号。
    2.3.6 多重识别元件的协同整合与未来展望
    纳米生物传感器的高性能源于纳米材料选择、生物识别元件及其整合的深度结合。随着对神经疾病分子病理机制理解的不断深入,单模式识别策略已不足以满足复杂生物样品中痕量动态生物标志物的精准检测需求,因此多重识别元件的协同整合正成为提升传感器性能的关键策略。例如,将适配体与磁性纳米颗粒结合构建“双锁”识别系统,显著提升低丰度生物标志物的选择性和抗干扰能力;一项研究将特异性适配体识别与CRISPR/Cas12a介导的信号放大相结合,同时检测Aβ寡聚体和磷酸化tau蛋白,实现AD相关蛋白生物标志物的高灵敏度双靶标检测;此外,将CRISPR系统与适配体传感器整合,可通过适配体检测蛋白生物标志物、通过CRISPR检测核酸生物标志物,从而在单一平台上实现多模态并行检测。另有研究人员开发了基于DNA四面体分裂的时空分级CRISPR级联系统,结合金铂纳米标签和人工智能技术,实现miRNA-21的超灵敏、一步、单管快速检测,检测限低至38 aM,尽管该研究主要关注癌症,但其设计理念为神经疾病多重生物标志物检测提供了重要参考。
    人工智能正在加速识别元件的开发。AI技术已应用于优化适配体筛选条件(如GRAPE-LM实现一轮进化,亲和力优于多轮SELEX)、预测MIP的最佳功能单体组合(如计算建模实现ΔEC高达-135 kcal·mol-1;ML模型实现印迹因子预测R2=0.937)以及设计特异性CRISPR引导RNA(如CGD通过弹性网络回归优于现有方法)。这些AI驱动的方法显著提升了开发效率和识别元件性能。例如,CRISPRdx平台采用AI驱动的CRISPR-Cas12a多重检测系统识别微创体液中的神经遗传标记,为儿科床旁遗传学诊断提供快速经济的解决方案。随着合成生物学、纳米技术和信息科学的深度融合,可编程、多功能、智能响应型生物传感系统有望为实现神经疾病早期精准诊断提供关键技术支撑。纳米材料界面和生物识别元件的合理设计为纳米生物传感器从实验室原型向临床诊断工具转化奠定了基础,以下章节将重点探讨其在量化神经生物标志物和应对临床转化瓶颈方面的实际表现。
    2.3.7 生物污染防治与界面屏蔽策略
    蛋白质非特异性吸附(生物污染)长期以来是限制纳米生物传感器在脑脊液和血液等复杂生理环境中应用的核心障碍。生物污染不仅钝化传感器界面、阻碍电子转移,还会导致信号漂移、灵敏度和选择性下降,严重损害传感器的长期稳定性和临床实用性。为缓解这些问题,研究人员开发了多种防污界面设计策略,使传感器在真实生物介质中抵抗非特异性吸附,从而提升性能。
    两性离子聚合物因其独特的 hydration 层屏蔽机制已成为防污界面的主流选择。在这类材料中,单个单体包含平衡的阴阳电荷,整体电荷中性并通过与水分子的强静电相互作用形成致密水合层。近期研究重点包括:在纳米多孔电极上构建刷状结构、精确调控两性离子肽序列,以及将两性离子聚合物与共轭聚合物或激光诱导石墨烯结合开发导电防污复合材料,所有这些策略均在抑制生物污染的同时维持电子转移。但需注意,设计不佳的两性离子涂层可能引入绝缘效应并降低信号输出。
    细胞膜仿生涂层是另一种极具前景的防污策略,灵感源自天然细胞表面抵抗非特异性蛋白吸附和免疫识别的固有能力。红细胞膜因超亲水性、膜蛋白含量低和优异的生物相容性,是复杂生物流体防污修饰最常用的材料。在神经诊断领域,神经元膜仿生涂层因与中枢神经系统的高兼容性日益受到关注。这类仿生界面在全血、血清和尿液中均能维持低污染粘附,从而支持多模态临床检测平台的开发。
    除两性离子聚合物和细胞膜仿生涂层外,分子筛分防污策略也成为该领域的重要方向。Sun及其同事报道了一种氟化共价有机框架(F-COF)薄膜修饰的石墨烯场效应晶体管生物传感器,将F-COF薄膜转移到石墨烯场效应晶体管的沟道上,该策略在分子水平上解耦了防污特性与分子识别,为复杂生物流体中选择性、实时石墨烯FET生物传感提供了通用方法。
    综上,当前防污界面设计已从单机制水合层屏蔽向多机制协同和结构-功能一体化演进。两性离子聚合物策略以可控水合层为核心,通过结构工程实现性能优化;细胞膜仿生策略利用天然细胞膜的“伪装”特性,在生物相容性和多功能整合方面展现出显著优势;分子筛分策略基于物理尺寸选择,为特定场景提供互补解决方案。这些策略的持续发展和整合为纳米生物传感器在体液中无创或微创检测神经疾病生物标志物奠定了坚实的界面化学基础。
  3. 3.
    纳米生物传感器在神经疾病诊断中的应用
    纳米生物传感技术向临床转化的最显著成就是对神经退行性疾病和神经精神障碍相关生物标志物的精准检测。本节评估纳米材料介导平台在复杂生物系统中痕量分析物的定量检测性能,重点关注其在早期筛查、疾病进展监测和新型生物标志物探索中的应用。
    3.1 早期筛查:已确立蛋白生物标志物的高灵敏度定量检测
    错误折叠蛋白聚集体,主要是β淀粉样蛋白(Aβ)、磷酸化tau蛋白(p-tau)和α-突触核蛋白,是AD和PD鉴别诊断的关键。纳米材料增强的电化学和光学检测方法正逐步取代传统神经影像学技术,实现亚皮摩尔级检测灵敏度。
    AD相关蛋白(Aβ和p-tau)的检测:研究人员利用金纳米星的高比表面积及其对DNA适配体的特异性识别能力,开发了基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器,可在未稀释血浆中实现Aβ1-42的定量检测,检测限低至1.6 fM。与传统血浆ELISA(通常AUC≈0.78)相比,基于纳米生物传感器的平台在AD诊断中表现出更优性能,多项研究报告AUC值高于0.90,灵敏度和特异性超过90%。该检测方法的性能与CSF生物标志物分析相当,为大规模人群筛查提供了微创途径。尽管如此,该技术仍面临多项挑战:缺乏无症状人群的前瞻性验证,且传感器不同生产批次的重现性尚未得到系统评估。
    PD相关蛋白(α-突触核蛋白)的检测:α-突触核蛋白聚集是帕金森病的标志。SERS技术已实现α-突触核蛋白寡聚体的无标记检测,这是帕金森病的关键生物标志物。近期研究证明了基于SERS的平台利用唾液等生物流体进行PD诊断的潜力,人工智能辅助分析实现了高诊断准确率。但该研究存在样本量小、缺乏独立验证等局限性。此外,CSF采集的有创性限制了其在常规筛查中的应用,而将该技术应用于血液或唾液的尝试则受困于α-突触核蛋白寡聚体在外周体液中丰度极低的问题。尽管纳米碳-金属界面产生的电磁“热点”显著增强了拉曼信号,能够区分蛋白单体和寡聚体,但大多数研究仍处于病例对照队列层面,样本量有限(n<100)。前瞻性验证前驱症状个体和传感器制造标准化
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