综述：基于CRISPR/Cas的电化学生物传感器

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：CRISPR/Cas based electrochemical biosensors

　　

童武|吴阳|高洪昌|黄鸿杰|刘阳

摘要

近年来，用于基因编辑的CRISPR/Cas系统在生物传感领域发展迅速。该系统具有精确的核酸靶向和切割能力，能够实现灵活的信号转换，并且易于与各种基于核酸的信号放大技术结合使用。与光学传感器相比，电化学生物传感器由于具有较高的信号稳定性和快速的响应时间，更适合用于核酸和小分子的即时检测。随着技术的不断进步以及新型电化学传感器的开发，结合CRISPR技术的电化学传感平台（EC-CRISPR）已被广泛用于癌症、细菌和病毒的检测。在本综述中，我们概述了CRISPR技术在生物传感器中的应用，总结了CRISPR技术在电化学传感器中产生信号的原理以及实现超灵敏检测的信号放大方法。最后，我们对EC-CRISPR技术的发展现状、面临的挑战及其各种应用前景进行了展望。

章节要点

背景

近年来，用于基因编辑的CRISPR/Cas系统在核酸检测领域取得了重大进展，被视为一种可与聚合酶链反应相媲美的革命性平台技术[1]。此外，CRISPR/Cas系统能够在触发转切割活性之前准确识别并结合目标序列，从而实现信号的指数级放大

CRISPR/Cas系统

CRISPR/Cas系统是一种高度多样化的适应性免疫机制，能够识别并切割入侵病原体中的特定核酸区域，以此保护自身免受病毒、质粒和其他外来核酸的侵害[9]。CRISPR/Cas系统会通过“适应-表达-干扰”三步免疫反应来摧毁入侵的宿主细胞病毒[10]。当细菌被病毒感染时，CRISPR系统会捕获病毒DNA的片段并将其插入自身

基于CRISPR/Cas的电化学生物传感器

电化学传感器具有高灵敏度和特异性，同时在成本、操作复杂性和信号稳定性方面也具有优势[33]、[34]。其工作原理是：生物识别元件（如酶、抗体或核酸探针）特异性地与电极表面的目标分子结合，而经过生物识别元件修饰的传感器（如电极或场效应晶体管）则将这种结合事件转化为可测量的信号变化

基于CRISPR/Cas的电化学生物传感器的信号放大策略

由于目标分子体积较小，且在生物样本中的浓度可能低至阿摩尔级别[85]，直接检测核酸仍然面临挑战。因此，科学家们开发出了核酸富集和放大技术，以便检测这些低丰度的核酸分子。

2018年，陈等人发现了具有独特转切割活性的CRISPR/Cas12a系统[86]。CRISPR/Cas系统不仅具备信号放大功能，还能用于检测

EC-CRISPR生物传感器的应用

CRISPR系统精确的靶向能力和信号放大功能与电化学检测的高灵敏度相结合，使得EC-CRISPR传感器能够实现对从核酸到蛋白质的各种目标的超灵敏检测。这一平台正在彻底改变病毒、细菌、生物标志物和单核苷酸多态性的检测方式，推动即时检测技术的发展。

CRediT作者贡献说明

吴阳：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。高洪昌：撰写——综述与编辑，指导。黄鸿杰：撰写——综述与编辑，指导。刘阳：撰写——综述与编辑，指导，资源提供，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22574091）和北京市自然科学基金（项目编号：L251023）的资助。