综述：即时检测、可穿戴设备与纳米机器人：用于动物健康及“同一健康”监测的智能技术

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Point-of-Care, Wearables and Nanorobotics: Intelligent Technologies for Animal Health and One Health Surveillance

　　摘要
生物传感技术通过实现病原体、生理生物标志物以及与疾病相关的信号的快速、灵敏且分散式的检测，正在彻底改变兽医诊断领域。本综述重点介绍了动物生物传感器领域的最新进展，尤其是那些用于家畜和伴侣动物健康监测的可穿戴、便携式、微创以及基于纳米技术的检测平台。文中探讨了电化学、光学、压电、场效应晶体管、CRISPR整合型以及纳米机器人生物传感器在检测病毒性、细菌性和代谢性疾病中的应用。同时，还特别关注了将人类先进的生物传感技术——如电子皮肤、微针、智能纺织品以及基于唾液、呼吸液和间质液的传感器——应用于兽医领域的进展。将这些技术适配于家畜和伴侣动物，有助于解决兽医领域面临的诸多挑战，包括大规模畜群的持续健康监测、野外条件下传染病的早期发现、实验室诊断资源有限以及疫情快速控制等问题，同时为精准畜牧业提供经济高效且分散式的解决方案。此外，人工智能、机器学习、微流控技术、无线通信以及基于云的分析技术也被视为推动精准畜牧业和实时疾病监测的重要手段。文中还分析了用于监测人畜共患病和跨界病原体的应用情况，以及当前面临的挑战、转化机遇以及生物传感器驱动的“同一健康”监测体系的未来发展方向。

引言
地球上的哺乳动物群体中，人类和家养家畜占据绝对主导地位，二者合计约占全部哺乳动物的96%，而野生哺乳动物仅占约4%（图1A）[1]。近1万年来，家畜（如牛、羊、山羊、猪）一直是人类文明的重要基础，作为食物、劳动力及经济稳定的重要来源，对农业系统产生了深远影响。然而，这种密切而长期的互动也带来了显著的公共卫生挑战，因为大约60%的人类病原体源自动物[2]。在重点关注的人畜共患病名单中，病毒性病原体占比尤为突出，约为37.7%（范围：28.0%–44.4%），这凸显了它们在新发和再发传染病中的关键作用[3]。历史上，许多最严重且影响深远的传染病爆发都源于动物源性的病毒。典型的例子包括1958年首次发现的天花病毒[4]、1967年的马尔堡病毒病、1976年的埃博拉病毒病[5]、1981年首次被临床确认的艾滋病病毒/艾滋病[6]，以及2020年的新冠疫情[7]。这些事件都强调了了解动物宿主、病原体传播机制以及促进人畜共患病出现的生态和社会因素的重要性。

此外，现代集约化养殖方式引发了关于动物福利、环境可持续性以及疾病管理的诸多担忧。因此，维护动物健康对于保持生态系统平衡和保护人类福祉而言至关重要[8]。目前，家畜疾病的监测主要依靠实验室诊断方法，包括用于检测和基因组分析的聚合酶链反应等分子技术，以及用于识别与疾病相关的生物标志物并评估宿主抗体反应的血清学检测方法[9]。尽管这些方法具有较高的分析精度，并已被广泛用作标准诊断工具，但它们往往需要集中的实验室设施、专业人员、昂贵的仪器以及漫长的处理时间，这限制了其在野外快速应用的能力。在那些需要立即做出决策的偏远农场，这些限制可能会延误疾病诊断和疫情应对。除此之外，兽医诊断还必须在温度波动大、湿度高、尘土多、泥泞不堪、动物活动频繁、机械应力大，以及存在唾液、牛奶、粪便和血液等复杂生物物质造成的生物污染等恶劣且多变的环境中进行。这些因素都会影响诊断平台的稳定性、分析性能和操作可靠性，因此亟需能够在实际养殖环境中保持准确性的强大诊断平台。正因如此，快速、便携且成本效益高的诊断技术对于实现疾病的早期检测、持续健康监测以及在病原体传播加剧之前及时干预至关重要[10]。

生物传感技术日益被视为下一代诊断系统中的核心组成部分。它们兼具高灵敏度和高选择性，同时还具备快速分析、便携性强以及可在现场使用的特点，从而无需依赖传统的实验室设施即可实现分散式的疾病监测[7][11][12]。通过将生物识别元件（如抗体、核酸或适配体）与物理化学换能器相结合，生物传感器能够将生物分子间的相互作用实时转化为可量化的信号[13]。近年来，纳米材料、微流控技术以及信号放大策略的进步显著提升了生物传感器的灵敏度、选择性和多重检测能力，使其能够在复杂的生物样本中检测出低浓度的生物标志物和病原体。这一独特优势使得生物传感器能够作为现场诊断设备使用，无需复杂的实验室设施即可在现场进行检测[14]。在传染病防控方面，生物传感器作为早期预警系统具有重大优势，能够及时识别病原体并促使迅速采取干预措施以限制其传播。此外，纳米技术、微制造技术和便携式电子产品的进步也大幅提升了生物传感平台的分析性能、成本效益和易用性，使其更适用于资源匮乏的环境。综上所述，生物传感器已成为分散式诊断中不可或缺的工具，有助于实现高效的疾病监测，为构建可持续且健康的社区提供便捷有效的医疗服务[15]。最近，生物传感技术的进步推动了集成化动物健康生态系统的开发，这类系统结合了生物采样、生物传感器平台、无线数据传输、基于云的处理以及人工智能辅助决策功能，从而实现实时监测和疾病管理（图1B）。与人类医疗应用不同，动物生物传感系统必须能够在多样的环境条件下工作，适应不同物种的生理差异，并在户外和农场环境中长期保持正常功能。这些要求推动了专为兽医应用设计的坚固型可穿戴、植入式及自主型生物传感平台的发展。

本文旨在对动物生物传感技术领域的最新进展进行系统性评价，重点分析用于家畜健康监测和人畜共患病监测的可穿戴、便携式以及新一代生物传感器平台的分析性能、实际应用情况以及转化潜力。文章阐述了生物传感器在快速检测动物病原体、生理生物标志物及与疾病相关的信号方面的原理、应用及创新成果，同时探讨了其与纳米技术、人工智能以及精准畜牧业系统的整合方式。此外，本文还分析了生物传感技术在加强“同一健康”战略、改善动物福利、提升粮食安全以及降低新发人畜共患病风险方面的当前挑战、转化机遇及未来前景。

市场增长与商业格局
生物传感器作为一种能够实现快速诊断、持续健康监测以及基于数据的管理手段，已成为推动畜牧业发展的不可或缺工具。其应用范围的不断扩大，反映了行业向精准畜牧业的转型趋势——在这种模式下，通过对动物生理状态、行为表现及环境因素的持续监测，可以实现疾病的早期发现，提升动物福利，优化生产效率，并减少经济损失[16]。

用于家畜的可穿戴生物传感器：现有技术及农场应用
可穿戴生物传感器是精准畜牧业中最成熟且发展最快的技术之一，它能够在农场环境中直接实现对动物生理状态、行为表现、健康状况及福利水平的持续实时监测。与传统现场诊断方法相比，可穿戴平台能够提供连续的生理数据，而非单一时间点的测量结果，从而有助于更早地发现疾病，实现持续的健康评估。

人畜共患性病毒疾病与“同一健康”战略
正如近期爆发的疫情所表明的那样，大流行病始终是对人类健康、生计及全球稳定构成的持续且不断变化的威胁[55]。这一问题的核心在于人类、动物与环境之间日益紧密的联系——人们、野生动物和家畜共同生存并相互影响。在这个共享的生态系统中，各种各样的病毒、细菌、真菌和寄生虫不断传播，而在它们的自然宿主体内往往不会表现出症状[56]。然而，人为因素……

用于检测动物病原体及监测疾病的可穿戴生物传感器
可穿戴生物传感器是兽医诊断领域最具前景的技术之一，因为它们将生物传感功能从间歇性检测拓展到了对动物健康和病原体传播的持续实时监测。与传统依赖离散样本采集的现场诊断方法不同，可穿戴平台能够实现对生理反应及与感染相关的生物标志物的长期监测，从而有可能在疾病出现之前就将其识别出来。

迈向智能微型及纳米机器人生物传感器
尽管纳米机器人生物传感器在成熟度上仍低于可穿戴生物传感器和传统现场诊断传感器，但它们代表了智能兽医诊断领域最具潜力的长期发展方向，因为它们能够在同一个平台上整合自主导航、靶向分子识别、生物传感以及治疗功能。诊断技术的发展正逐步从传统的宏观体外系统转向微观及可注射的体内系统。

技术及生物学挑战
尽管在针对兽医和畜牧业应用的生物传感器研发方面已经取得了显著进展，但在现实世界的养殖环境中，仍有许多科学、技术及转化方面的障碍阻碍着这些技术的广泛应用。其中一个主要挑战来自于动物源性生物样本的复杂性，这类样本包括唾液、汗液、牛奶、呼吸液、粪便、血清、血液以及间质液，其中含有多种干扰物质。

结论
总之，生物传感技术有望通过将疾病管理从被动诊断转变为持续、预测性且基于数据的健康监测，从而重新定义兽医诊断领域。在现有的各种检测平台中，电化学生物传感器因其便携性、低成本以及与复杂生物样本的兼容性，目前仍是兽医现场诊断中最成熟的技术；而可穿戴生物传感器、CRISPR整合型平台则展现出更大的应用潜力。

CRediT作者贡献声明
Stefano Cinti：写作——审稿与编辑，可视化。
Samah Eid：写作——审稿与编辑。
Heba A. Hussein：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，监督，概念设计。
Waleed Alahmad：写作——审稿与编辑。
Rabeay Y. A. Hassan：写作——审稿与编辑。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。作者使用了语言编辑工具来提升文本的语法和清晰度。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益冲突或个人关系。

Heba A. Hussein | Samah Eid | Rabeay Y.A. Hassan | Waleed Alahmad | Stefano Cinti
埃及吉萨省农业研究中心动物健康研究所病毒学部门，邮编12618