综述：金纳米生物传感技术用于早期乳腺癌诊断：最新进展与未来展望

《Advanced Sensor Research》：Gold Nano Biosensing Technologies for Early Breast Cancer Diagnosis: Recent Progress and Future Perspectives

　　

乳腺癌（Breast Cancer, BC）仍然是全球女性癌症相关死亡的主要原因之一，生存结果强烈取决于诊断的及时性和精确性。在这篇综述中，研究人员介绍了金纳米材料驱动的生物传感器（gold nanomaterial-driven biosensors），作为超灵敏乳腺癌检测的一个变革性前沿。由于其独特的物理化学属性，包括局部表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）、优异的电导率、高表面积与体积比以及稳健的Au-S表面化学，金纳米结构（gold nanostructures）能够实现稳定的生物分子固定、加速的电子转移以及跨多种传感模式的强大信号放大。研究人员全面综述了基于金纳米结构的电化学（Electrochemical, EC）、表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）、表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）、荧光（Fluorescence, FL）和双模式（Dual-mode, DM）生物传感器的最新进展，强调了它们检测临床重要生物标志物（如HER2、CA15-3、CEA、CD44、miR-122、miR-21、BRCA1/2、BIRC5 mRNA、FEN1、循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTCs）和肿瘤来源外泌体（Tumor-derived Exosomes, TEs））的能力。特别关注了金纳米材料的结构多样性，包括纳米颗粒（nanoparticles, NPs）、纳米棒（nanorods, NRs）、纳米星（nanostars, NSs）和核壳结构（core-shell architectures），这些结构使得等离子体和电化学性能可精细调节，实现了飞摩尔（femtomolar, fM）到阿摩尔（attomolar, aM）的检测限。总体而言，这篇综述强调了金纳米材料作为下一代生物传感系统核心纳米结构骨架的战略作用，为具有强大转化潜力的微创、实时和精准乳腺癌诊断铺平了道路。

论文主体部分总结如下：

**1 引言（Introduction）**
乳腺癌（Breast Cancer, BC）是全球女性最常见的恶性肿瘤之一，其预后高度依赖于诊断阶段。早期检测可实现接近90%的5年生存率，而转移性疾病的生存率显著下降。传统检测方法（如钼靶、组织病理学、磁共振成像和临床检查）在早期发现中缺乏非侵入性和成本效益。纳米生物传感器（nanobiosensors）通过结合功能纳米材料，特别是金纳米材料（Gold Nanomaterials, AuNMs），克服了这些局限性。金纳米材料因其独特的物理化学特性——包括局部表面等离子体共振（LSPR）、高电导率、大表面积与体积比以及稳健的Au-S表面化学——成为高性能生物传感器的核心。金纳米结构可实现稳定的生物分子固定、加速电子转移和强大的信号放大。与银、铂等其他金属纳米材料相比，金在生理条件下具有优异的化学惰性、出色的电导率和可调的光学行为，使其在电化学和光学传感中占据主导地位。此外，金纳米材料可设计为纳米球、纳米棒、纳米星、纳米立方体和核壳结构等多种形态，提供高度灵活的传感平台。本综述系统比较了七种金纳米结构及其传感机制，并讨论了关键乳腺癌生物标志物的检测策略，以及临床转化中的主要障碍和未来方向。

**1.1 金纳米生物传感器的主要机制（Principal Mechanism of Gold Nano Biosensors）**
金纳米颗粒（Gold Nanoparticles, AuNPs）主要通过强Au-S生物功能化、电化学电荷转移加速和LSPR介导的视觉增强发挥作用。它们的高表面积与体积比提供了足够的表面用于固定硫醇化DNA、适配体和抗体，从而增强响应。金纳米棒（Gold Nanorods, AuNRs）表现出各向异性等离子体行为，具有横向和纵向LSPR模式，可通过长径比控制进行调节。纵向等离子体带在棒尖端产生增强的电磁场，提高表面等离子体共振和表面增强拉曼散射的灵敏度。金纳米星（Gold Nanostars, AuNSs）通过尖端诱导的电磁热点放大机制工作，其尖锐分支产生高度局域化的等离子体“热点”，显著放大拉曼散射信号，适用于超灵敏SERS检测。金纳米立方体（Gold Nanocubes, AuNCs）依赖于角和边缘介导的等离子体增强机制，其尖锐顶点和定义明确的晶面产生集中的电磁场，增强拉曼报告信号，并提高SERS检测的可重复性。金纳米簇（Gold Nanoclusters, AuNCs）表现出量子限域诱导的本征荧光，其类分子电子结构产生尺寸依赖的荧光发射，实现基于荧光“开启”或淬灭的生物传感。核壳金纳米结构（Core-Shell Gold Nanostructures）通过等离子体耦合和颗粒间间隙依赖的场增强工作，如SiO₂@Au或Au@Ag结构，在间隙中形成纳米间隙“热点”，产生强SERS放大。金纳米线和薄膜（Gold Nanowires and Thin Films）通过表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）激发和谐振位移机制工作，实现无标记实时检测。总体而言，没有单一金纳米结构适用于所有传感应用，选择需基于具体生物标志物、传感过程和所需灵敏度。

**2 纳米技术支持的早期乳腺癌检测生物传感器（Nanotechnology-Enabled Biosensors for Early Breast Cancer Detection）**
**2.1 电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors）**
电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors, EBs）因其高灵敏度、低成本和便携性而备受关注。金纳米颗粒通过增强电子转移、增加表面积和高效生物分子固定来提升性能。例如，Tumrani等人利用碳（PC）、导电Ti₃C₂T_x MXene和硫堇功能化金纳米颗粒（Au NPs）的协同复合材料，构建了检测细胞外基质蛋白-1（Extracellular Matrix Protein-1, ECM1）的电化学免疫传感器，检测限达0.012 nM，并具有良好选择性和稳定性。Primpray等人开发了基于rGO/MoS₂纳米复合材料和金纳米颗粒的一次性丝网印刷生物传感器，用于检测miRNA-34a，检测限为66 pM。Makableh等人通过将金纳米颗粒（GNPs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）与HER2特异性适配体结合，构建了电化学适配体传感器，检测限为4.4 pg/mL。这些传感器展示了金纳米材料在信号放大和电子转移加速中的关键作用。

**2.2 光学和SPR生物传感器（Optical and SPR Biosensors）**
光学生物传感器，尤其是表面等离子体共振（SPR）生物传感器，能够实现无标记实时监测生物分子相互作用。金纳米材料通过增强折射率灵敏度和信号强度来提升SPR性能。Jamil等人开发了基于光子晶体光纤（PCF）的SPR生物传感器，用于检测MCF-7和MDA-MB-231细胞，波长灵敏度高达29,285.71 nm/RIU。Yang等人利用基于CRISPR/Cas12a的纳米生物传感策略，结合金纳米颗粒（AuNP）的SPR信号放大，实现了12种miRNA生物标志物的同时检测，检测限为3.34–7.16 fM。Y. Liu等人通过构建仿生膜辅助的SPR生物传感平台，使用红血细胞膜（RBCM）功能化的金芯片和金纳米颗粒（AuNPs@Mem），实现了循环肿瘤细胞（CTCs）的超灵敏检测，检测限为868.11 particles/mL。

**2.3 表面增强拉曼散射生物传感器（Surface-Enhanced Raman Scattering Biosensors）**
表面增强拉曼散射（SERS）生物传感器利用金纳米结构产生的电磁场“热点”放大拉曼信号，实现超灵敏检测。Jin等人开发了基于金纳米立方体（AuNC）的“开启”SERS生物传感器，结合加热金电极和Exo III辅助扩增，用于检测瓣状核酸内切酶1（FEN1），检测限为3.19 × 10^-7 U μL^-1。Tan等人构建了基于纺锤形金纳米颗粒阵列（SAu）的双信号SERS生物传感器，用于检测miR-21，检测限为0.046 pM。El Garrab和Zekriti设计了SiO₂@Au核壳纳米颗粒二聚体传感器，用于检测乳腺微小结节，灵敏度达263 nm/RIU，检测限为0.4 × 10^-6 RIU。这些平台展示了SERS在单分子水平检测中的潜力。

**2.4 双模式/多靶向生物传感器（Dual Mode/Multitargeting Biosensors）**
双模式和多靶向生物传感器通过同时检测多种生物标志物提高诊断准确性。Pothipor等人开发了同时检测miRNA-21和CA 15-3的双模式电化学生物传感器，利用P3ABA/2D-MoSe₂/氧化石墨烯纳米复合材料和两种染料标记的金纳米颗粒（DAP-AuNPs和TB-AuNP），检测限分别为1.2 fM和0.14 U mL^-1。Zha等人构建了基于Nd-MOF@AuNPs的双模式光电化学（PEC）和电化学（EC）生物传感器，用于检测循环肿瘤DNA（ctDNA），PEC和EC模式检测限分别为0.63 fmol L^-1和0.30 fmol L^-1。Yin等人利用MOF@FeTCPP纳米酶和金纳米颗粒，开发了比率计量电化学和比色双模式生物传感器，用于检测HER2，检测限为28.5 fg mL^-1。这些平台通过互补传感器制减少假阳性/阴性结果。

**2.5 荧光生物传感器（Fluorescent Based Biosensors）**
荧光生物传感器通过检测荧光淬灭、增强或波长位移来实现信号产生。Esmaeili等人开发了pH响应型介孔纳米平台（MCM@CS@Au-Apt(CUR)），用于MUC-1阳性肿瘤细胞的成像和靶向治疗，利用适配体介导的荧光淬灭机制实现“关-开”信号。Wu等人构建了双荧光蛋白冠工程化纳米探针系统（PS-BSA-AuNCs-Apt），用于检测EpCAM过表达的乳腺癌细胞，通过绿色和红色双色荧光信号减少假阳性。金纳米簇（BSA-AuNCs）提供稳定的荧光发射和胶体稳定性。

**3 纳米生物传感器作为检测乳腺癌肿瘤标志物的超灵敏平台（Nano Biosensors as Ultrasensitive Platforms for Detecting Breast Cancer Oncomarkers）**
**3.1 miRNA122的检测（Detection of miRNA122）**
miRNA-122通过调节肿瘤代谢影响癌症生长和转移。Chen Wen等人开发了基于金纳米颗粒和TiO₂纳米棒阵列的微滴芯片电化学生物传感器，用于同时检测miRNA-21和miRNA-155，检测限分别为5.00 fM和5.17 fM。Esmaeilian等人利用NH₂-Ti₃C₂ MXene纳米片和AuNP负载的MOF（NH₂-UiO-66）构建了miRNA-122电化学生物传感器，检测限为503 fM。Ranjbari等人通过整合金纳米结构（AuHFGNs）、MXene（Ti₃C₂T_x）纳米片和聚（丙烯酸正丁酯），实现了miRNA-122的检测，检测限达0.0035 aM，灵敏度100%，特异性100%。

**3.2 蛋白生物标志物的检测（Detection of Protein Biomarker）**
蛋白生物标志物如HER2、CA15-3、CEA、CD44和MUC-1在乳腺癌诊断中至关重要。Liu等人利用HKUST-1@PBA支架和金纳米颗粒，通过电蚀刻机制同时检测CA15-3、CEA、CA125和HER2，检测限分别为1.4418 μU/mL、1.4531 pg/mL、1.3889 mU/mL和1.4416 pg/mL。Olorundare等人基于纳米金刚石（nanoD）和电沉积金纳米颗粒（AuNPs）构建了HER2电化学免疫传感器，检测限为0.29 pg/mL。Ramadan和Hassan开发了基于钴钼酸盐/导电聚合物纳米复合材料和金纳米颗粒的双重阻抗免疫传感器，用于CEA和HER2的检测，检测限分别为8.2 fg mL^-1和4.9 fg mL^-1。Dezhakam等人利用MIL-156 MOF@COF纳米复合材料和金纳米颗粒检测CA15-3，检测限为2.6 nU mL^-1。

**3.3 循环肿瘤细胞和外泌体的检测（Circulating Tumor Cell and Exosomes Detection）**
循环肿瘤细胞（CTCs）和外泌体是液体活检中的重要生物标志物。Kim等人开发了基于氮硫共掺杂石墨烯量子点（NSGQDs）和3D金纳米星（AuNS）的纳米复合材料，功能化植物血凝素-L（PHAL），用于检测MCF-7细胞，检测限小于3 cells mL^-1。Chowdhury等人利用金纳米线构建了SPR光子晶体纤维生物传感器，用于检测CTCs，波长灵敏度高达35,714.28 nm/RIU。Zhang等人开发了基于金纳米颗粒的多适配体识别策略（CD63、HER2、EpCAM），用于检测HER2阳性乳腺癌外泌体，检测限为3.4 × 10³ particles mL^-1。

**3.4 基因和DNA修复酶的检测（Detection of Genes and DNA Repair Enzymes）**
Hou等人开发了基于SERS的双检测生物传感器，用于检测BRCA1和BRCA2基因，利用Au@Ag核壳纳米颗粒和PS@Ag芯片，检测限分别为0.61 pM和0.78 pM。Jin等人（同上）利用金纳米立方体增强的SERS生物传感器检测FEN1，检测限为3.19 × 10^-7 U μL^-1。

**3.5 信使RNA的检测（Detection of Messenger RNA）**
Ashikbayeva等人利用绿色合成金纳米颗粒构建了无标记光纤生物传感器，用于检测CD44 mRNA，检测限为0.111 pM。Madkour等人利用CeO₂-Ru@AuNPs-CNTs纳米复合材料构建了电化学生物传感器，用于检测BIRC5 mRNA，检测限为0.4 ag/mL。

**4 临床转化（Clinical Translations）**
许多纳米生物传感平台已在临床样品（如人血清、全血和细胞裂解液）中验证了性能，与金标准方法（ELISA、RT-qPCR、免疫组化）高度相关。例如，多检测电化学平台在患者样品中实现了93%–105%的回收率，外泌体靶向传感器可区分HER2阳性和阴性乳腺癌样品。然而，临床实施仍面临挑战，包括标准化纳米制造（确保金纳米结构的尺寸、形状和表面性质可重复）、抗生物污染表面工程（如PEG化、两性离子自组装单层）、以及监管验证。与ELISA、PCR和免疫组化相比，金纳米生物传感器具有更低的样品需求、更快的分析时间和更高的多路复用能力，但在大规模验证和标准化方面仍需努力。

**4.1 商业化和FDA批准的金纳米颗粒诊断产品（Commercially Available and Fda-Approved Gold Nanoparticle-Based Diagnostics）**
目前，基于金纳米颗粒的侧流层析试纸已在传染病快速诊断中商业化，但乳腺癌检测的金纳米生物传感器尚未超越临床前/早期转化阶段。未来商业化需要广泛的临床验证、标准化制造和成本效益证明。

**5 结论与未来展望（Conclusion and Future Perspectives）**
金纳米材料生物传感器是早期乳腺癌检测中最强大的纳米技术平台。金纳米颗粒因其独特的氧化稳定性、表面化学可调性和LSPR特性，成为电化学、SPR、SERS、荧光和双模式生物传感器的核心功能元件。尽管混合纳米复合材料（如石墨烯/Au、MXene/Au、MOF/Au）已广泛使用，但金纳米颗粒仍是主要信号放大器和电子转移介体。未来研究应聚焦于标准化合成、抗生物污染表面工程、微流控集成和人工智能辅助信号处理，以推动临床转化和商业化。