综述：电化学传感器用于抗癌药物分析的最新进展：纳米结构创新

《Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine》：Recent developments in electrochemical sensors for anticancer drugs analysis: Nanostructured innovations

　　

治疗药物监测（TDM）对于改善治疗效果至关重要，因为抗癌药物具有狭窄的治疗窗且其效应存在显著的个体间差异。传统分析技术尽管具有良好的灵敏度，但受限于高成本和快速或即时分析适用性不足的问题。本综述讨论了纳米材料增强的电化学传感框架，用于在生物体液中实现抗癌药物的高选择性和高灵敏度检测。通过整合碳纳米材料、金属/金属氧化物纳米颗粒和离子液体，工程化电极表现出增强的电子转移动力学、提高的表面反应性和改善的抗污性能。宽线性范围、卓越的稳定性和超低检测限等特性使得研究人员能够准确测量包括达沙替尼（DAS）、氟他胺（FLUT）、硫嘌呤类药物和阿霉素（DOX）在内的药物。血清和尿液中的实际样品分析展示了高回收率和最少的样品前处理需求。总体而言，本研究强调了纳米材料增强的电化学传感器作为有益的多功能平台在TDM方面的革命性潜力。

## 电化学检测基础

抗癌药物的电化学检测根本上由其内在氧化还原活性及电极界面相关的电子转移机制所调控。许多化疗药物含有电活性官能团，如DOX中的醌基、FLUT中的硝基、酪氨酸激酶抑制剂（如DAS）中的杂环氮结构以及硫嘌呤中的含硫基团，这些基团允许直接的电化学氧化或还原。这些过程频繁涉及质子耦合电子转移（PCET），即电子转移和质子转移同时发生，导致强烈的pH依赖性电化学行为。这些药物的氧化还原机制因其化学结构而异：基于醌的药物通常经历可逆还原为氢醌，而硫嘌呤则表现出涉及自由基中间体的多步不可逆氧化。类似地，5-氟尿嘧啶（5-FU）呈现扩散控制的氧化过程，而DAS则显示与等摩尔质子-电子参与相关的pH依赖性氧化还原响应。

电化学响应可能遵循扩散控制或吸附控制机制，取决于分析物-电极相互作用。扩散控制过程依赖于分析物从本体溶液的传输，而吸附控制机制涉及药物分子在电极表面的富集，通常可提高灵敏度但增加电极污染风险。裸电极通常存在缓慢的电子转移动力学、高过电位和在生物基质中的稳定性差等问题，因此使用纳米结构材料进行表面修饰以增强电子转移、提高催化活性和减少污染效应变得至关重要。

## 生物基质与分析挑战

血液、血清和血浆是临床金标准，但从分析角度具有挑战性。高浓度的血清蛋白（如白蛋白和球蛋白）、尿酸、抗坏血酸、脂质和内源性代谢物会导致电极污染和背景电流。先进的纳米界面（如亲水涂层、两性离子层和抗吸附结构）可减少电极污染。尿液作为体液具有采样方便、药物浓度高和蛋白质含量低的特点，但pH、离子强度和稀释度变化很大，因此电化学传感器必须能够耐受离子环境的大幅变化。唾液不需要侵入性采样方法且蛋白质含量低，使其成为有吸引力的传感生物液体，但酶和黏蛋白的存在造成干扰挑战。组织液（ISF）和汗液对于可穿戴监测非常相关，尽管存在机械变形，电化学传感器和阵列已证明其在柔性分析物上的稳定性和鲁棒性。

表征传感器性能的关键参数包括检测限（LOD）、定量限（LOQ）、响应时间、样品体积、线性动态范围、稳定性和抗干扰能力。

## 纳米材料与电极工程

不同类别的纳米材料通过不同机制贡献于电化学传感。碳基材料如碳纳米管（CNTs）和石墨炔主要增强导电性和表面积，促进快速电子转移；而金属和金属氧化物纳米颗粒提供催化活性，降低过电位并改善信号强度。离子液体通过创建高导电微环境进一步增强电荷传输和稳定性。这些材料集成到混合纳米复合材料中代表了重大进展，相比单组分系统实现了更优的分析性能。

纳米结构修饰剂是增强稳定性和抗污性、将传感器从微摩尔选择性推向（亚）纳摩尔效率的主要杠杆。金（Au）、银（Ag）、钯/铂（Pd/Pt）等贵金属增加导电性和催化位点；金属氧化物（ZnO、铁氧体、ZrO₂、TiO₂、Fe₃O₄）提供鲁棒性和氧化还原介导；石墨烯碳材料（CNTs、还原氧化石墨烯（rGO）、石墨烯量子点（GQDs））提供高比面积和快速电荷传输；导电聚合物（聚吡咯、聚苯胺）增加可加工成膜基质。精心选择的杂化材料，如将催化氧化物与高面积碳耦合或将纳米颗粒整合入聚合物框架，可显著提升法拉第电流、降低过电位并扩展实际样品中的线性范围。

## 电化学传感中的识别策略

电化学传感中的识别策略可分为生物亲和系统（如适配体、抗体、酶）和合成方法（如主-客体系统和分子印迹），各自在选择性和稳定性方面提供不同优势。

### 适配体基电化学生物传感器

适配体是能够选择性识别特定分析物的短寡核苷酸序列。利用其固有特性、卓越的特异性、经济的生产和良好的生物相容性，适配体已成为肿瘤和癌症可视化领域的强有力候选者。适配体基电化学生物传感器（AEBs）表现出高分子接受度，特别是核酸适配体，具有快速且高灵敏度的信号转换能力，因此为高级生物和分析应用提供了优秀平台。研究人员报道，通过比率信号定量的基于分子信标的电化学适配体传感器，可在血清中检测血管内皮生长因子（VEGF）。

### 抗体基免疫传感器

免疫试剂和纳米材料混合形成表面增强拉曼光谱（SERS）分析工具。研究人员合成了两种新型5-FU类似物，用于产生单克隆抗体（mAb），开发了高灵敏度和特异性的酶联免疫吸附测定（ELISA）用于5-FU定量，检测限达0.5 ng/mL。该单克隆抗体进一步用于免疫亲和色谱柱进行选择性样品前处理，从加标样品中获得72.4–90.7%的5-FU回收率。

### DNA和主客体系统

环糊精（CD）、柱芳烃、冠醚、葫芦脲和杯芳烷等主权-客体超分子体系因其疏水空腔和生物相容性而被开发为最佳药物载体。研究人员基于葫芦[8]脲（CB[8]）功能材料合成主客体超分子DNA纳米凝胶，具有多刺激响应和可控尺寸，表现出非凡的稳定性、良好的靶向药物运输和生物相容性。另一研究团队设计了ds-DNA/SWCNTs/GCE平台，利用DOX与DNA的特异性相互作用导致鸟嘌呤峰电流的可测量降低，检测限为0.6 nM。

### 酶辅助传感

酶辅助电化学传感常用于将非电化学活性的抗癌药物激活为电活性物种并增强所得信号。研究人员开发了一种基于"关-开-关"信号转换策略的智能多功能电化学生物传感器，用于两种生物标志物的连续检测。人嘌呤/嘧啶内切核酸酶1（APE1）特异性切割AP位点，触发DNA酶和熵驱动催化（EDC）反应的激活，导致大量标记有Fc的单链DNA释放并被捕获在电极表面，产生对应于"关-开"状态的强电化学信号。

## 生物体液中的电化学检测

### 5-氟尿嘧啶检测

对于抗癌治疗中的生物体液和药物检测，电化学传感已发展为高效、低体积的方法，允许即时检测并提供LC-MS的重要替代方案。临床背景和分析原理被纳入5-FU的案例中。先进和现代界面碳纳米材料、金属氧化物纳米颗粒、离子液体和聚合物已将检测限提升至纳摩尔体系，并在血清和尿液中进行了验证，具有周级稳定性。

研究人员采用方 rhetoric 伏安法通过悬汞滴电极（HMDE）检测5-FU，发现铜（II）离子的存在使其能够在亚纳摩尔浓度下识别5-FU，因为5-FU与铜（II）形成稳定复合物，更高效地吸附到电极表面。研究人员还建立了水凝胶保护的电化学适配体基（HP-EAB）生物传感器，直接检测血液中的DOX，琼脂糖水凝胶通过精确促进DOX传输同时阻断较大生物分子来增强鲁棒性和效率。

### 联合治疗中的多重检测

研究人员开发了铜纳米颗粒/炭黑/Nafion（CuNPs-CB-Nafion）薄膜修饰玻碳电极，提供双分析物单电极读数用于MTX和DOX检测，具有最小样品处理和单个峰分离。这些结构改进和提升产生了更大、更尖锐的方波伏安（SWV）峰。形貌显示57 nm CuNPs良好分散在30–75 nm炭黑簇上，处于薄Nafion基质中，这种形貌维持质传输通道同时扩展催化接触点。可直接检查纯化和稀释50%的尿液（和河水），获得接近定量的回收率，具有最小重复误差和周级信号保留特性。

## 抗癌药物的分子印迹聚合物基电化学生物传感器

分子印迹聚合物（MIPs）作为合成识别元件因其抗体样选择性而广泛应用，为传统识别系统提供了高选择性、化学稳定性、成本效益和可重复使用性。

研究人员通过环糊精电化学聚合在玻碳电极上合成MIP膜用于MTX检测，其中MTX和CD分别作为模板和功能单体，在聚合物基质上形成印迹空腔。该MIP传感器展示了快速电化学响应，对MTX定量具有增强的灵敏度和选择性，线性范围为6×10^-8至1×10^-5 M，检测限为3×10^-8 M。另一研究团队基于分子印迹聚合物包覆的Fe₃O₄纳米颗粒合成了MIP@Fe₃O₄荧光仿生传感器用于伊马替尼（IMB）检测，实现了5×10^-6至8×10^-4 mol/L的线性响应，检测限为9.3×10^-7 mol/L，并展示了长期稳定性（>2个月）。

对于ALK阳性非小细胞肺癌（NSCLC）使用的酪氨酸激酶抑制剂克唑替尼（CZT），研究人员开发了NiCoCu-LTH/MWCNTs修饰电极，通过循环伏安法和电化学阻抗谱分析揭示了电荷转移电阻的显著降低和氧化还原峰电流的显著增强，这归因于纳米复合材料结构的协同效应，促进了高效的界面电子转移和加速电荷传输过程。差分脉冲伏安法显示了明确的氧化峰，电流强度随CZT浓度增加而逐渐增加，在0.001–1500 n reliantnM宽浓度范围内表现出强线性关系，检测限达到亚纳摩尔范围。

另一研究团队创建了用于6-TG分析的灵敏电化学传感器，使用邻苯二胺和6-TG作为模板，在石墨电极上电聚合氧化石墨烯（GO）以开发分子印迹聚合物层。GO增加了电极表面积，而MIP提供6-TG的选择性。在最佳条件下，传感器达到80 nM的检测限，覆盖0.5–60 μM范围，展示了成功的实际样品分析，回收率为96.5–102.5%。

## 未来展望与挑战

电化学传感技术正日益受到临床分析的青睐，因其比色谱和质谱等传统技术更简单、更经济、更易修饰，更适合即时检测。未来的发展应着重于提高电化学和MIP基传感器的重复性、长期稳定性和大规模生产。丝网印刷和一次性电极的开发对于即时检测和现场监测应用尤为重要。智能和刺激响应材料（如温度或pH响应聚合物）的应用为减少电极污染和延长传感器寿命提供了有前景的途径。信号解读、校准效率、可靠性和多重药物分析需要现代数据处理技术和人工智能的改进。

然而，实际临床应用仍面临关键挑战：缺乏标准化的传感器制造、校准和验证协议；纳米材料基传感器的大规模生产和成本效益；长期操作稳定性问题，如电极污染、材料退化和信号漂移；以及将这些传感技术转化为临床实践需要严格的金标准方法验证和医疗器械监管框架合规性。目前，有限的临床批准和不足的真实世界测试仍是应用的关键障碍。需要协调标准化、临床验证和可扩展设备工程方面的工作，以使电化学传感平台成功整合到常规TDM和个性化肿瘤学中。