《Biosensors》：Nanotechnology-Based Detection of Sickle Cell Disease and Thalassemia: A Systematic Review
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镰状细胞病（SCD）与地中海贫血均为遗传性疾病，精准诊断是实现有效管理与改善患者预后的关键前提。纳米技术的兴起为开发创新、高精度的检测方法提供了新路径，可显著提升检测灵敏度与特异性。本系统评价旨在评估纳米技术介导的SCD与地中海贫血检测方法的分析性能，重点解析
镰状细胞病（SCD）与地中海贫血均为遗传性疾病，精准诊断是实现有效管理与改善患者预后的关键前提。纳米技术的兴起为开发创新、高精度的检测方法提供了新路径，可显著提升检测灵敏度与特异性。本系统评价旨在评估纳米技术介导的SCD与地中海贫血检测方法的分析性能，重点解析其分析效能并识别最具灵敏度的纳米技术检测策略。研究人员通过检索ScienceDirect、PubMed、Embase及Google Scholar五大数据库，最终纳入符合标准的23项研究。结果显示，上述研究充分展现了纳米技术在两类疾病检测中的应用潜力：所涉及的样本类型涵盖全血、血清、基因组DNA及商业化寡核苷酸，多数研究报道了检测限（LOD）数值。其中，金纳米颗粒（AuNPs）表现出卓越的检测灵敏度，LOD范围为2.6 aM至0.035 pM；AuNPs的表面修饰与功能化可显著增强其检测效能。银纳米颗粒、量子点及石墨烯量子点等其他纳米结构亦显示出良好的诊断应用前景。整体而言，纳米技术方法的分析灵敏度较传统手段明显提升，LOD跨度为2.6 aM至50 nM。本系统评价全面梳理了纳米技术检测方法的分析性能，揭示了其在革新诊断与治疗模式中的潜在价值，凸显了纳米技术提升SCD与地中海贫血分子诊断准确性的变革性作用。
1. 引言
镰状细胞病（SCD）与地中海贫血是全球范围内影响数百万人口的遗传性疾病，尽管医学不断进步，二者仍面临显著的诊疗挑战。SCD高发于撒哈拉以南非洲、地中海地区、拉丁美洲、中东及印度人群，而地中海贫血全球受累人口超过2.8亿。两类疾病均由血红蛋白β-珠蛋白链突变导致，属于血红蛋白病范畴：SCD可引发慢性溶血性贫血、剧烈疼痛及终末器官损伤；地中海贫血因基因突变导致血红蛋白α或β链合成缺陷，进而引起贫血、疲乏及相关并发症，目前已发现超过250种β-地中海贫血致病突变，涵盖点突变与大片段缺失，基因与分子层面的异常最终导致β-珠蛋白链合成紊乱与疾病发生。早期预防、并发症诊断及终末器官损伤管理是改善患者预后的核心。传统诊断方法如血红蛋白电泳与高效液相色谱法（HPLC）存在成本高、可及性有限及依赖专业技术等局限。纳米技术凭借纳米材料（NMs）小于100 nm的尺寸效应带来的高比表面积特性，可通过调控组成、形貌与尺寸实现功能化设计，在信号放大与灵敏度提升方面优势显著，已在癌症无创生物标志物检测、实时病情监测及贫血、血液肿瘤等疾病诊断中展现应用价值。现有研究已探索银、金、石墨烯、二氧化硅及量子材料等纳米结构在血红蛋白病诊疗中的应用潜力，但纳米技术在两类遗传病诊断中的应用仍处于早期阶段。既往相关综述多聚焦于纳米材料类型或通用传感策略，对分析性能指标（如LOD、线性范围）、功能化方法及临床验证程度的系统性比较不足。本综述通过系统整合SCD与地中海贫血的纳米诊断研究，重点分析分析性能、转化成熟度及现存局限，填补了现有文献的关键空白，为识别最具转化潜力的纳米平台及明确转化障碍提供了性能导向的框架。
2. 材料与方法
2.1 核心问题
本研究旨在明确用于SCD与地中海贫血检测的纳米技术方法与策略，及其对应的LOD、样本与分析物需求。
2.2 纳入标准
研究类型为原创性研究，包括实验研究、观察性研究及诊断准确性研究；研究对象为人类SCD或地中海贫血患者；干预措施为评估纳米技术在两类疾病检测与定量中的应用；结局指标需报告分析灵敏度、分析特异性、检测限（LOD）与定量限（LOQ）；语言限定为英语；仅纳入经同行评审的期刊论文；时间跨度为建库至检索当日。
2.3 排除标准
排除社论、会议摘要、非人类研究对象研究、未使用纳米技术的研究、未发表数据、综述类文章及非英语出版物。
2.4 检索策略与信息来源
本研究严格遵循系统评价首选报告条目（PRISMA）指南，研究方案已在PROSPERO注册（CRD42025631798），符合PRISMA 2020清单的筛选、分析、报告规范。检索流程包括：在PubMed开展预检索提取关键词，基于标题、摘要及索引词完善检索策略，在多个数据库采用适配后的检索式开展系统检索，并通过受控词汇识别同义词与索引术语。
2.5 研究筛选流程
初筛去除重复文献后，由3名独立研究员基于纳入与排除标准完成标题与摘要初筛，再对初筛入选文献进行全文复评，排除文献详细记录剔除原因，研究员意见分歧通过讨论或第三方专家仲裁解决。
2.6 数据提取
提取内容包括研究标题、期刊名称、发表年份、国家、研究背景、研究目的、研究设计、所用纳米技术、纳米材料修饰方式、样本类型、受试者数量、检测技术及核心发现，同时提取灵敏度、特异性、LOD、LOQ等分析效能指标。
2.7 数据合成
鉴于纳入研究数据的异质性，未进行Meta分析，采用叙述性合成方法对研究结果进行汇总与解读，系统梳理研究特征、方法学设计与结局指标。
3. 结果与讨论
3.1 研究筛选结果
初步检索共获得3126篇文献，其中PubMed 699篇、Google Scholar 1662篇、Embase 673篇、ScienceDirect 92篇。经去重与严格的标题摘要初筛后，最终23项研究符合纳入标准，聚焦纳米技术在SCD与地中海贫血检测中的应用。
3.2 纳米技术方法的分析性能
本部分系统梳理了金属纳米材料、量子点（QDs）、氧化石墨烯、磁性纳米颗粒（MNPs）等纳米结构在血液、血清、DNA等生物样本中检测两类疾病的效能，各类方法的LOD跨度从数阿摩尔至数纳摩尔。
3.2.1 金纳米颗粒（AuNPs）
AuNPs是两类疾病检测中应用最广泛的纳米材料，基于AuNPs的方法LOD范围为2.6 aM至数皮摩尔。有研究报道针对孕妇外周血胎儿β-地中海贫血基因的LOD达5.2×10?16M；另一项研究LOD为0.571 pM，可实现杂合子与纯合子β-地中海贫血的基因型区分；近期开发的AuNPs增强表面等离子体共振成像（SPRI）平台可直接检测非扩增人类基因组DNA中的点突变，能区分健康、杂合子与纯合子β-地中海贫血基因型，检测灵敏度达2.6 aM，但该研究仅纳入18份基因组DNA样本（健康者18例、纯合子患者7例、杂合子患者7例），缺乏大规模临床验证。另有研究分别采用AuNPs（LOD=78.7 aM）与碳包覆二硫化钼空心纳米棒（MoS2@C，LOD=58.5 aM）检测地中海贫血相关CD122基因。金基纳米复合物如金银双金属（Au@Ag）NPs、AuNPs联合氧化石墨烯及AuNPs/石墨炔（GDY）纳米复合材料，对β-地中海贫血的LOD为5.13 fM至0.0481 pM，对镰状细胞贫血（SCA）的LOD为40 pM。其中Au@Ag NPs结合表面增强拉曼散射（SERS）检测β-地中海贫血相关microRNA-210（miR-210）的LOD为5.13 fM，经8份红细胞样本（健康者4例、患者4例）验证，但仍需更大规模临床队列验证其在常规诊断中的适用性。综合来看，AuNPs是当前检测两类疾病灵敏度最高的纳米材料，优于量子点、银纳米颗粒及硼掺杂石墨烯等其他纳米平台。
3.2.2 量子点（QDs）
量子点因超灵敏分析潜力成为AuNPs的重要替代材料。有研究采用量子点检测血清铁蛋白水平，定量限为0.27 ng，经16份血清样本（地中海贫血患者4例、肝癌患者10例、健康人2例）验证，其LOD高于AuNPs，但在蛋白质生物标志物检测中仍具价值。硼掺杂石墨烯量子点检测镰状红细胞中羟高铁血红素的LOD约为（0.005±0.001）μM，该研究为原理验证性分析，仅纳入7份样本（健康者5例、SCD患者2例），虽显示SCD患者羟高铁血红素水平显著升高，但样本量过小可能导致选择偏倚、统计效力不足及效能高估，需更大规模多样化队列验证方可实现临床转化。量子点的LOD虽高于AuNPs，但其可调谐光学特性与多重检测潜力使其在靶向应用中具备可行性，但当前仍需大规模临床队列验证以支持常规诊断应用。
3.2.3 银纳米颗粒（AgNPs）
AgNPs在两类疾病检测中同样表现优异。近期研究采用AgNPs检测单核苷酸多态性（SNP）以实现SCA鉴定，血清中SNP靶标的LOD为103拷贝/μL，虽高于AuNPs，但在识别SCD相关基因突变中潜力显著。铂银双金属纳米簇（Ag/Pt）检测β-地中海贫血相关单核苷酸变异的LOD达0.8 fM，进一步提升了检测效能。银基纳米结构在血红蛋白病检测中展现出良好的灵敏度与特异性，在高级分子诊断中应用前景广阔。
3.2.4 其他纳米颗粒
磁性纳米颗粒、氧化铜（CuO）纳米颗粒及上转换纳米颗粒等虽应用较少，但在血红蛋白病检测中亦具良好灵敏度。基于镱铒共掺氟化钇钠（NaYF4:Yb3+,Er3+）的上转换纳米颗粒检测SCD相关点突变的LOD为120 fM；CuO纳米颗粒比色生物传感器检测游离胎儿DNA中SNP的LOD为0.64 nM；碲化汞（HgTe）检测镰状巨幼红细胞中SNP的LOD为0.05 μM；磁性纳米颗粒定量铁代谢关键调节因子铁调素的定量下限为0.4 nmol/L。此类纳米材料的独特理化性质为靶向生物标志物检测提供了多元选择。文中还总结了三类比色检测原理：CuO纳米颗粒基于过氧化物酶样活性，双链DNA结合后活性增强，氧化四甲基联苯胺（TMB）产生显色反应，实现SCA相关SNP检测；纳米金SEA探针基于氯化钠诱导AuNPs聚集效应，互补靶标存在时AuNPs分散呈红色，无杂交时聚集呈蓝色，杂合子呈紫色，实现α-地中海贫血检测；凝血酶结合适配体（hTBA29）修饰AuNPs检测SCA相关SNP时，完全匹配靶标抑制凝血酶，AuNPs保持分散呈红色，错配或无靶标时凝血酶激活纤维蛋白原导致AuNPs聚集呈蓝色。
3.2.5 样本与分析物需求
纳米技术可检测的分析物涵盖特定DNA序列、microRNAs、基因组DNA、游离胎儿DNA、蛋白质及SNP等多类分子。其中特定DNA序列包括β-珠蛋白基因、CD122基因、CD142基因及α/β-地中海贫血相关寡核苷酸，与疾病诊断、监测及治疗密切相关；microRNA-210等分子的检测可揭示疾病分子调控机制；基因组DNA与游离胎儿DNA的检测支持复杂基因组分析与无创产前诊断；量子点检测血清铁蛋白可反映铁代谢状态，辅助缺铁性贫血与过载并发症管理；SNP检测可为疾病分子机制研究提供依据。需注意的是，多数极低LOD值（阿摩尔至飞摩尔级）是在合成寡核苷酸或实验室制备DNA靶标中实现的，仅少数检测在患者来源样本中达到相近灵敏度，如AuNP-SPRI检测β-地中海贫血、Au@Ag纳米颗粒SERS检测miR-210及量子点检测铁蛋白，提示实验室原理验证的灵敏度不等同于临床实际效能，复杂基质、生物标志物丰度波动及样本处理步骤均会影响检测可靠性，因此超低LOD应视为分析潜力指标而非已验证的临床灵敏度。
3.2.6 纳米颗粒修饰与功能化
纳米颗粒的表面修饰与功能化是提升分析性能的核心策略。常用技术包括物理吸附、16-巯基十六烷酸（MHDA）与磺基甜菜碱（SB）硫醇表面功能化以实现生物分子偶联，以及DNA探针偶联实现靶基因选择性检测。纤维蛋白原偶联AuNPs与巯基修饰AuNPs检测SCA相关SNP的LOD分别达12 pM与1.2 pM；碳包覆二硫化钼空心纳米棒等复合材料的开发进一步提升了分析效能。表面修饰策略显著增强了纳米探针的灵敏度、特异性与稳定性，为精准检测遗传与蛋白质标志物奠定了基础。
3.2.7 检测技术
纳米技术与多元检测技术的融合极大提升了诊断效能。SPRI可实现非扩增基因组DNA中β-地中海贫血点突变的超灵敏检测；电化学阻抗谱（EIS）可高灵敏、高特异检测人血清中低浓度β-地中海贫血基因；纳米金比色法可区分α-地中海贫血1的东南亚（SEA）缺失型，识别携带者与患者，操作简便、成本低廉，小规模45例样本验证与传统方法一致性良好，但仍需大规模临床验证。此外，AuNP功能化石墨烯介导的双催化DNA组装比色检测、AuNPs与MoS2@C纳米棒自供电双模式检测CD122基因、AuNPs掺杂氧化石墨烯-聚合物基质电化学基因传感器等技术，均体现了AuNPs与多元技术融合的优势。文中还总结了三类生物传感器原理：光纤纳米金传感器通过MutS蛋白特异性识别β-地中海贫血突变杂交双链，放大光学信号，实现母体外周血游离胎儿DNA无创产前检测；氧化石墨烯基电化学基因传感器通过靶标杂交改变氧化还原探针电子转移效率，产生可测电信号；双金属纳米复合材料修饰电极通过靶标杂交形成双链层阻碍电子转移，实现地中海贫血基因灵敏识别。AuNPs与SPRI、EIS、SERS等技术的融合为临床转化提供了可靠工具。
3.2.8 临床验证
当前纳米诊断技术的临床验证仍十分有限。多数超低LOD值在合成寡核苷酸或加标样本的受控条件下获得，难以直接外推至临床样本的复杂环境。仅少数平台开展了患者样本验证，如AuNP-SPRI检测β-地中海贫血突变纳入32例患者样本，Au@Ag纳米颗粒SERS检测纳入8例患者，量子点检测铁蛋白纳入16例患者血清，纳米金比色法检测α-地中海贫血纳入45例患者样本，但样本量普遍偏小，存在选择偏倚风险，统计效力与跨人群可重复性不足，亟需多中心大样本研究评估真实世界效能。
3.3 实践意义：成本、样本需求与可扩展性
纳米诊断技术的实际应用受成本、样本处理与可扩展性制约。AuNPs灵敏度高、合成便捷，但金原料成本与表面修饰费用较高；量子点合成与修饰工艺复杂，成本更高，大规模人群筛查经济性不足。AgNPs原料成本低、光学性能优异，是更具性价比的选择；CuO NPs与MNPs原料廉价、合成简单，更适合资源有限地区，尽管LOD相对较高。仪器成本方面，AuNPs比色法可适配侧向流或纸基平台，成本低廉；而SPRI、SERS等设备昂贵、维护复杂，限制了基层与即时检测场景的应用；量子点与 upconversion NPs的合成纯化流程繁琐，荧光检测设备要求高，不适合低资源地区常规筛查。样本需求方面，金银纳米颗粒体系多兼容全血、血清或分离DNA，但常需DNA提取或扩增等前处理；量子点与 upconversion NPs依赖荧光读数与专用设备，现场应用受限。未来研究需平衡灵敏度与成本效益，推动纳米诊断从原理验证走向可持续临床应用。
3.4 局限性
当前研究仍存在多项局限：纳米颗粒易聚集，影响胶体稳定性与检测一致性；合成方法（尺寸、形貌、表面化学、功能化）的批次差异阻碍可重复性与规模化转化；SPRI、SERS等高端技术依赖昂贵设备，限制资源有限地区的应用；缺乏纳米制备、 assay优化与验证的标准化方案，难以开展跨研究比较与监管审批；多数研究样本量偏小，亟需大规模临床验证以确立诊断准确性与常规应用可行性。解决上述问题是将实验室创新转化为实用、低成本血红蛋白病诊断方案的关键。
4. 结论
本系统评价全面梳理了纳米技术在SCD与地中海贫血检测中的研究进展。对23项研究的分析表明，金、银、量子点、石墨烯量子点等纳米结构在识别疾病相关生物标志物与基因突变中表现出卓越的灵敏度与多样性，其中AuNPs的检测限可达2.6 aM至数皮摩尔，是极具潜力的诊断材料。纳米技术的灵活性体现在样本类型的广泛兼容性，而纳米颗粒的策略性修饰与功能化可进一步提升分析效能，其与SPRI、EIS等技术的融合实现了检测性能的突破。然而，现有研究多处于实验室原理验证阶段，缺乏大规模临床验证，SPRI、SERS等高端技术受限于设备成本难以在基层推广，小样本研究也降低了临床外推的置信度。未来研究需聚焦标准化方案建立、低成本平台开发与多中心大样本验证，缩小实验室创新与真实世界应用的差距，充分发挥纳米技术在血红蛋白病早期、灵敏、低成本诊断中的变革性潜力。
