综述：用于癌症诊断的仿生传感器技术研究进展
2023-12-17 10:36:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

仿生传感器技术是一种从大自然中汲取灵感的未来主义方法。医学诊断、环境监测和机器人技术等领域已经从这种对生物体高效机制的模仿中获益良多。通过模仿生物体中极其高效的生物受体，仿生传感器在许多疾病的早期检测，尤其是癌症的早期检测方面具有巨大的优势。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自印度苏里尼大学（Shoolini University）等机构的研究人员在Talanta Open期刊上发表了题为“Recent update on biomimetic sensor technology for cancer diagnosis”的综述性文章，全面概述了用于癌症诊断的仿生传感器，重点介绍了其类型和识别元件，并强调了仿生传感器在实现癌症特异性生物标志物的非侵入性检测方面的显著优势，例如准确性和灵敏度。总体而言，仿生传感器是一项革命性的进展，它促进了我们对早期癌症检测的理解，改善了患者的预后，提高了医疗保健水平。

仿生传感器在癌症诊断中的优势与应用

传统的癌症检测技术具有很强的侵入性，而且通常会引起副作用。为了解决这个问题，研究人员开发了基于仿生液体的检测方法，能够无创地识别人体尿液、血液和唾液等体液中存在的生物标志物。此外，仿生传感器非常灵敏，并且具有高特异性，因此比传统方法更可靠。同时，仿生传感器还能够实现癌症生物标志物的早期检测，从而增强传统治疗方法的有效性。另外，通过与纳米技术相结合，仿生传感器可以提高自身的检测灵敏度和选择性，而这正是传统检测方法所缺乏的。

用于癌症诊断的仿生传感器类型

（1）光学仿生传感器

（1.1）光子晶体传感器

光子晶体是一种人工制造的材料，具有周期性排列的纳米级电介质或金属结构。由于这种周期性，光子晶体会产生光子带隙，使得一定范围内的波长不能够通过光子晶体传播。当光子晶体周围的折射率发生变化时（例如特定分子的存在或温度的变化），光子带隙会发生偏移，因此可以利用基于各种测量技术（例如监测光通过光子晶体的反射率或透射率）的光子晶体传感器来检测这种偏移。

（1.2）表面等离子共振（SPR）传感器

顾名思义，表面等离子共振（SPR）传感器利用的是表面等离子共振原理。当金属表面附近的折射率发生变化时，就会产生等离子共振变化，这表明存在结合的目标分子。

表面等离子共振（SPR）传感器的基本工作原理

（1.3）荧光传感器

在基于荧光的仿生生物传感器中，荧光标签或量子点被用于检测和量化目标分子。当目标分子与传感器表面结合时，荧光强度会发生变化，从而实现目标分子的检测。

荧光传感器的基本工作原理

（2）电子仿生传感器

（2.1）场效应晶体管（FET）传感器

场效应晶体管（FET）传感器的工作原理是基于晶体管栅极表面修饰的特定生物识别元件。当目标分子与识别元件结合导致晶体管电性能发生变化时，就可以实现无标记检测。

场效应晶体管（FET）传感器的基本工作原理

（2.2）阻抗传感器

阻抗传感器通过测量阻抗（目标分子与传感器表面结合后，各种材料（如组织）对交流电流的阻抗）来实现对目标分子的检测，阻抗的变化可以反应目标分子的浓度。

生物分子和仿生识别元件

（1）癌症生物标志物适配体

能够与特定目标分子高亲和力结合的短单链核酸（DNA/RNA）分子，被称为适配体。通过迭代选择和放大与目标分子具有高结合亲和力的适配体是一种适配体筛选方法，这一过程被称为指数富集的配体系统进化技术（systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment，SELEX）。

指数富集的配体系统进化技术（SELEX）过程概览

（2）分子印迹聚合物（MIPs）

分子印迹聚合物（MIPs）是一种具有识别位点的人工合成物质，这些识别位点可以根据实际应用实现个性化设计，可以选择性地与特定目标分子结合。

分子印迹聚合物（MIPs）制备示意图

（3）抗体和免疫仿生传感器

抗体通过识别并结合特定抗原而起作用，这种结合具有高度选择性，因为一种抗体只能识别并结合一种抗原或其最接近的抗原群。免疫仿生传感器是一种生物传感器，它能够模拟人体的抗体与抗原之间的相互作用以及用于检测目标分子的天然抗体的特性。

人工合成的仿生抗体与免疫细胞结合并促进其靶向癌细胞的示意图

（4）酶基传感器

酶基传感器有几个关键组成部分。首先是与目标分子或反应物分子结合并催化反应的识别元件（酶）；其次是反应底物，识别元件与其发生反应后的产物将产生可检测的信号，如颜色变化、电化学信号或荧光信号；最后是换能器，其用于检测产生的信号并将其转换为可测量的信号输出。

酶基生物传感器的工作原理

综上所述，仿生传感器技术就像是大自然赐予我们的抗癌礼物。这些传感器的设计灵感来源于生物的有效工作原理，它们是非侵入性的，能够识别人体体液中的癌症特异性标志物。这些仿生传感器有助于癌症的早期发现，并通过提供更好的治疗方案来提升患者的康复机会。尽管面临重重困难，科学家们仍在努力提高这些仿生传感器的效率和经济性。由于仿生传感器的出现，个性化癌症治疗和人人可享有的更健康的未来离我们又近了一步。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.talo.2023.100276

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《癌症诊断初创公司调研-2020版》

《肿瘤免疫治疗领域初创公司调研》