《Sensors and Actuators Reports》：Nanozyme-Augmented Electrochemical Biosensors for Ultra-sensitive Detection of Early-stage Cancer Biomarkers: Recent Advances and Engineering Perspectives
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研究人员对纳米酶（Nanozymes）进行了分类，并分析了其多种酶样催化机制（enzyme-like catalytic mechanisms），为电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors, EBs）的合理设计提供了基础。研究人员
研究人员对纳米酶（Nanozymes）进行了分类，并分析了其多种酶样催化机制（enzyme-like catalytic mechanisms），为电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors, EBs）的合理设计提供了基础。研究人员总结了纳米酶增强的信号放大策略（signal amplification strategies），为早期癌症生物标志物（early-stage cancer biomarkers）的超灵敏检测提供了指导。研究人员识别了关键的临床转化瓶颈（clinical translation bottlenecks），为未来智能微系统（intelligent microsystems）和可穿戴传感平台（wearable sensing platforms）的发展铺平了道路。
1. 引言（Introduction）
癌症是全球主要死亡原因之一。尽管癌症治疗取得进步，多数病例仍在中期或晚期才被诊断，导致治疗结果不佳。早期检测，即当微量癌症相关生物标志物（如特定蛋白质、循环游离DNA（circulating free DNA, cfDNA）、微RNA（microRNAs, miRNAs）和循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs））首次出现在体液中时，对提高治愈率和生存率至关重要。传统诊断技术如酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）、免疫组织化学（immunohistochemistry, IHC）、质谱（mass spectrometry, MS）和基于聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）的方法存在灵敏度不足、依赖复杂设备、耗时等局限。电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors, EBs）以其高灵敏度、快速响应、低成本和便携性成为替代方案，但临床转化仍受限于生物识别元件稳定性差、背景干扰和信号放大不足。纳米酶（Nanozymes）展现类酶催化活性，具有高催化效率、稳定性、易合成和可调表面功能化等优势。本综述整合催化机制、结构设计、信号放大策略和系统集成，提供工程视角。
2. 用于癌症生物标志物检测的电化学生物传感（Electrochemical Biosensing for Cancer Biomarkers Detection）
2.1 癌症统计学（Cancer Statistics）
世界卫生组织数据显示，2022年全球报告超2000万新发癌症病例和近1000万死亡病例。GLOBOCAN预测，到2050年肺癌发病率将上升近75%，主要受老龄化和医疗基础设施不足驱动。这些数据强调了对可治疗阶段恶性肿瘤进行早期检测的迫切性。
2.2 电化学生物传感器基础（Fundamentals of EBs）
电化学生物传感器将生物识别元件与电化学换能器集成，将识别事件转换为可测量电信号。根据测量参数，EBs分为电流型、电位型和阻抗型。常用技术包括循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）、差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry, DPV）、方波伏安法（square wave voltammetry, SWV）和电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）。性能指标包括检测限（limit of detection, LOD）、灵敏度、选择性、线性范围和响应时间。
2.3 癌症生物标志物：分类与检测策略（CBMs: Classification and Detection Strategies）
癌症生物标志物（CBMs）分为五类：蛋白质、核酸、代谢物、CTCs和外泌体。纳米酶策略因类型而异。
2.3.1 蛋白质：利用亲和识别与纳米酶信号增强（Proteins: Exploiting Affinity Recognition with Nanozyme Signal Enhancement）
蛋白质CBMs如癌胚抗原（carcinoembryonic antigen, CEA）、甲胎蛋白（alpha-fetoprotein, AFP）和前列腺特异性抗原（prostate-specific antigen, PSA）是临床上最成熟的。纳米酶增强的EC免疫传感器采用导电纳米杂化物或三维纳米结构提高抗体负载和电子转移。例如，基于巯基化氧化石墨烯的CEA检测限为75 fg/mL；基于花瓣状铜铁氰化物的AFP检测限为1.40×10
-8 ng/mL。微流控芯片集成双适配体EC纳米探针可实现全血PSA分析（检测限0.25 pg/mL）。但多数仍为单分析物测量，而临床早期筛查需要多重检测。
2.3.2 核酸：可编程识别实现扩增级联（Nucleic acids: Programmable Recognition Enabling Amplification Cascades）
核酸标志物特别是miRNA和循环肿瘤DNA（circulating tumor DNA, ctDNA）具有高特异性和非侵入性液体活检兼容性。核酸识别可直接耦合可编程扩增电路。例如，用于乳腺癌外泌体miRNA检测的双信号放大传感器通过三元杂交和电催化循环实现45 aM超低检测限。ctDNA双模式光电化学（PEC）/EC生物传感器线性范围为1.0 fM至10 nM，以减少假结果。然而，当前EC平台在多路复用和通量方面仍落后于PCR方法。硬件瓶颈包括氧化还原电位重叠、微加工复杂性和顺序扫描时间。多功能纳米酶通过组成依赖性催化电位或独特电化学发光（electrochemiluminescence, ECL）指纹实现“一电极一靶标”并行检测。
2.3.3 代谢物：实时代谢监测作为早期预警系统（Metabolites: Real-Time Metabolic Monitoring as an Early Warning System）
肿瘤代谢物如乳酸、活性氧（reactive oxygen species, ROS）、谷胱甘肽（glutathione, GSH）和胆碱反映癌细胞代谢重编程。EC系统适合实时多参数监测。无标记传感平台可同时检测血清中AFP及其相关代谢物（胆碱、GSH）。集成代谢物检测的体外EC微传感阵列可实时监测不同肿瘤阶段的乳酸、氧消耗和ROS水平。
2.3.4 循环肿瘤细胞：从稀有捕获到单细胞分析（CTCs: From Rare Capture to Single-Cell Analysis）
CTCs因极端稀有（每毫升血液1-10个细胞）和表面标志物异质性而最具挑战性。基于AuPd空心球和CuPdPt纳米线的三明治结构适配体传感器对MCF-7细胞检测限为7 cells/mL。单原子纳米酶集成三维TiO
2纳米阵列实现肝细胞癌CTCs单细胞灵敏度，AUC达0.96。微流控EC系统可同时维持80%捕获效率和90%细胞活力。
2.3.5 外泌体：桥接蛋白质和核酸检测（Exosomes: Bridging Protein and Nucleic Acid Detection）
外泌体是30-150 nm的纳米级细胞外囊泡，携带蛋白质、核酸和脂质。双金属MOF传感平台结合磁富集与DNA逻辑电路，实现癌症外泌体超灵敏检测，浓度低至2.2×10
4 particles/mL。MOF@Pt@MOF纳米酶级联用于外泌体miRNA分析，表明外泌体可作为直接和间接靶标。
3. 纳米酶的类型、催化机制与优势（Types, Catalytic Mechanisms and Advantages of Nanozymes）
3.1 纳米酶分类学（Taxonomy of Nanozymes）
基于组成、结构和催化功能，纳米酶可分为贵金属、金属有机框架（metal-organic framework, MOF）、金属氧化物、半导体、单原子和碳基纳米酶。在EC生物传感中，可归纳为碳基和金属基两类。
3.1.1 碳基纳米酶（Carbon-based Nanozymes）
碳基纳米酶（CBNs）具有优异电子导电性、可调表面功能化和良好生物相容性。例如，单原子铁掺杂碳点纳米酶（Fe-CD nanozyme）结合DNA步行者级联放大，可超灵敏检测血浆中低丰度ctDNA。Pt-Cd双金属碳纳米酶用于肿瘤细胞内源性H
2O
2痕量检测。Fe-N-C结构碳纳米酶修饰碳电极实现人表皮生长因子受体2（HER2）超灵敏免疫识别，检测限低于10 pg/mL。
3.1.2 金属基纳米酶（Metal-based Nanozymes）
金属基纳米酶包括贵金属
