综述：肝细胞癌的工程化分子诊断策略：整合柔性光子条形码、液体活检及人工智能增强传感平台

《FlexMat》：Engineered molecular diagnostic strategies for hepatocellular carcinoma: Integrating flexible photonic barcodes, liquid biopsies, and AI-enhanced sensing platforms

　　

摘要

早期诊断肝细胞癌 (HCC) 仍然具有挑战性，因为常规血清生物标志物，尤其是甲胎蛋白 (AFP)，对早期疾病的敏感性有限。工程分子诊断的最新进展为通过整合材料、分子和计算策略来改善 HCC 检测提供了新的机会。在本综述中，我们总结了当前的基于 AFP 的诊断方法，并讨论了它们的主要局限性。随后，我们重点关注新兴的柔性生物传感平台，特别是用于多重生物标志物检测的水凝胶光子条形码。与基于外泌体的液体活检、聚类规则间隔短回文重复序列辅助的核酸扩增以及人工智能的进一步整合，可能会提高检测灵敏度、信号解释和个体化风险评估。潜在应用包括即时检测、纵向监测和个性化临床管理。仍需解决的关键挑战包括材料标准化、可扩展制造、设备重现性和多中心验证。总体而言，集成柔性生物传感系统可能为更早、更精确的 HCC 诊断提供一个有希望的方向。

1 引言

甲胎蛋白 (AFP) 长期以来一直是肝细胞癌 (HCC) 筛查、诊断和随访的核心血清血清学标志物，特别是在患有肝硬化或慢性乙型和丙型肝炎的患者中。^1-3 然而，其诊断效果仍然有限，尤其是对于早期肿瘤。⁴ 相当数量的小型或早期 HCC 患者 AFP 水平没有显著升高，这可能导致假阴性并延迟干预。⁵ 相比之下，AFP 升高也可能发生在良性肝病中，包括肝炎、肝脏再生和肝硬化结节，从而导致假阳性。^{6, 7} 尽管将 AFP 与其他血清标志物或成像方法相结合在一定程度上提高了诊断准确性，但传统方法仍然主要依赖单点测量和大肿瘤检测。^{8, 9} 目前的策略仍然不足以捕捉低丰度分子变化、肿瘤异质性和早期复发。¹⁰ 这些局限性表明，需要更敏感、多重且临床适用的诊断策略，能够在更早且可治疗的阶段检测 HCC。

工程策略正在改变早期 HCC 诊断的方法，将该领域从单一生物标志物检测转向更集成的传感平台。¹⁰ 这些系统不仅仅依赖 AFP 或另一个单独的标志物，而是在一个工作流程中结合材料设计、分子识别、信号放大和数据分析。例如，柔性水凝胶光子条形码可以作为可寻址的微载体，同时检测几种 HCC 相关蛋白、外泌体、miRNAs 和 ctDNA 片段。^11-14 基于外泌体的液体活检可以在明显的成像迹象出现之前提供肿瘤衍生分子信息。聚类规则间隔短回文重复序列 (CRISPR)/Cas 辅助传感进一步提高了低丰度核酸的检测，具有高序列特异性。^{15, 16} 同时，人工智能 (AI) 可以帮助分析光学、分子、成像和临床数据，并将其转化为更具解释性的风险评分。¹⁷ 凭借这种集成策略，早期 HCC 诊断正从简单的疾病确认转向更早的风险预测、动态监测和更个性化的管理。这样的进展可能使实验室生物传感与即时检测、便携式设备以及未来的社区筛查更加兼容。

本综述全面分析了 HCC 分子诊断工程的快速发展，特别强调了该领域前沿的柔性光电策略（图 1）。我们系统地批判了当前的临床生物标志物，指出了 AFP 的持续缺点，并评估了现有多标志物组合的边际效益。我们讨论的核心内容包括前沿技术的设计原理和机制，包括用于多重生物标志物检测的水凝胶基光子条形码、基于外泌体的液体活检、CRISPR 驱动的纳米传感器以及深度学习增强的预测建模。我们评估了它们在灵敏度、特异性和临床转化方面的比较优势，并批判性地检查了剩余的挑战：生物标志物异质性、检测标准化、柔性设备的可扩展制造以及严格的多中心验证。最后，我们阐述了下一代风险分层的愿景，利用人工智能将集成多组数据整合到个性化医疗框架中，并最终重新定义 HCC 诊断和监测的护理标准。

图 1

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传统和工程化检测 HCC 的方法。（由 BioRender.com 创建）。

2 HCC 诊断中的当前生物标志物

HCC 的诊断标志物对临床实践和基础研究非常重要。¹⁸ 目前，基于血清的诊断标志物大致可分为三类。首先，经典蛋白标志物以 AFP 为代表，其诊断特异性为 80%–90%，但灵敏度仅约为 60%。其次，当维生素 K 代谢受到干扰时，凝血相关的异常蛋白，尤其是脱伽马羧基凝血酶原 (DCP)/维生素 K 缺乏或拮抗剂诱导的蛋白质-II (PIVKA-II) 蛋白，通常会升高。当与 AFP 结合时，DCP 可以将早期 HCC 的检出率提高约 15%–20%。第三，细胞表面糖蛋白，如高尔基体蛋白 73 (GP73)，由于其组织特异性表达模式，已成为有用的辅助标志物。随着液体活检的发展，已鉴定出更多分子标志物，包括循环肿瘤 DNA (ctDNA) 甲基化标志物，如腺瘤性息肉病 coli 基因，以及外泌体非编码 RNA，如 miR-21。基于这些标志物的多参数检测有助于构建更准确的诊断模型。报道的 AUC 值超过 0.90，明显优于单标志物检测。即便如此，仍有许多问题需要解决，包括如何标准化标志物选择、提高检测灵敏度和降低检测成本。

2.1 AFP：临床效用与局限性

AFP 是一种衍生自癌性胎儿细胞的糖蛋白标志物，广泛用于诊断和监测 HCC 的发展。¹⁹ 在怀孕早期，AFP 主要来源于卵黄囊。然而，在第 11 到 12 周，主要生产点转移到胎儿肝脏，少量也会由胎儿肠道产生。这一时期代表了 AFP 生产的峰值。进入成年期后，血液中 AFP 的浓度显著下降，通常在血清中检测到 3–5 ng/mL。²⁰ 在胚胎发育