用于癌癥診斷的仿生傳感器技術(shù)研究進展

仿生傳感器技術(shù)是一種從大自然中汲取靈感的未來主義方法。醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測和機器人技術(shù)等領域已經(jīng)從這種對生物體高效機制的模仿中獲益良多。通過模仿生物體中極其高效的生物受體，仿生傳感器在許多疾病的早期檢測，尤其是癌癥的早期檢測方面具有巨大的優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自印度蘇里尼大學（Shoolini University）等機構(gòu)的研究人員在Talanta Open期刊上發(fā)表了題為“Recent update on biomimetic sensor technology for cancer diagnosis”的綜述性文章，全面概述了用于癌癥診斷的仿生傳感器，重點介紹了其類型和識別元件，并強調(diào)了仿生傳感器在實現(xiàn)癌癥特異性生物標志物的非侵入性檢測方面的顯著優(yōu)勢，例如準確性和靈敏度?？傮w而言，仿生傳感器是一項革命性的進展，它促進了我們對早期癌癥檢測的理解，改善了患者的預后，提高了醫(yī)療保健水平。

仿生傳感器在癌癥診斷中的優(yōu)勢與應用

傳統(tǒng)的癌癥檢測技術(shù)具有很強的侵入性，而且通常會引起副作用。為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了基于仿生液體的檢測方法，能夠無創(chuàng)地識別人體尿液、血液和唾液等體液中存在的生物標志物。此外，仿生傳感器非常靈敏，并且具有高特異性，因此比傳統(tǒng)方法更可靠。同時，仿生傳感器還能夠?qū)崿F(xiàn)癌癥生物標志物的早期檢測，從而增強傳統(tǒng)治療方法的有效性。另外，通過與納米技術(shù)相結(jié)合，仿生傳感器可以提高自身的檢測靈敏度和選擇性，而這正是傳統(tǒng)檢測方法所缺乏的。

用于癌癥診斷的仿生傳感器類型

（1）光學仿生傳感器

（1.1）光子晶體傳感器

光子晶體是一種人工制造的材料，具有周期性排列的納米級電介質(zhì)或金屬結(jié)構(gòu)。由于這種周期性，光子晶體會產(chǎn)生光子帶隙，使得一定范圍內(nèi)的波長不能夠通過光子晶體傳播。當光子晶體周圍的折射率發(fā)生變化時（例如特定分子的存在或溫度的變化），光子帶隙會發(fā)生偏移，因此可以利用基于各種測量技術(shù)（例如監(jiān)測光通過光子晶體的反射率或透射率）的光子晶體傳感器來檢測這種偏移。

（1.2）表面等離子共振（SPR）傳感器

顧名思義，表面等離子共振（SPR）傳感器利用的是表面等離子共振原理。當金屬表面附近的折射率發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生等離子共振變化，這表明存在結(jié)合的目標分子。

表面等離子共振（SPR）傳感器的基本工作原理

（1.3）熒光傳感器

在基于熒光的仿生生物傳感器中，熒光標簽或量子點被用于檢測和量化目標分子。當目標分子與傳感器表面結(jié)合時，熒光強度會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)目標分子的檢測。

熒光傳感器的基本工作原理

（2）電子仿生傳感器

（2.1）場效應晶體管（FET）傳感器

場效應晶體管（FET）傳感器的工作原理是基于晶體管柵極表面修飾的特定生物識別元件。當目標分子與識別元件結(jié)合導致晶體管電性能發(fā)生變化時，就可以實現(xiàn)無標記檢測。

場效應晶體管（FET）傳感器的基本工作原理

（2.2）阻抗傳感器

阻抗傳感器通過測量阻抗（目標分子與傳感器表面結(jié)合后，各種材料（如組織）對交流電流的阻抗）來實現(xiàn)對目標分子的檢測，阻抗的變化可以反應目標分子的濃度。

生物分子和仿生識別元件

（1）癌癥生物標志物適配體

能夠與特定目標分子高親和力結(jié)合的短單鏈核酸（DNA/RNA）分子，被稱為適配體。通過迭代選擇和放大與目標分子具有高結(jié)合親和力的適配體是一種適配體篩選方法，這一過程被稱為指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術(shù)（systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment，SELEX）。

指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術(shù)（SELEX）過程概覽

（2）分子印跡聚合物（MIPs）

分子印跡聚合物（MIPs）是一種具有識別位點的人工合成物質(zhì)，這些識別位點可以根據(jù)實際應用實現(xiàn)個性化設計，可以選擇性地與特定目標分子結(jié)合。

分子印跡聚合物（MIPs）制備示意圖

（3）抗體和免疫仿生傳感器

抗體通過識別并結(jié)合特定抗原而起作用，這種結(jié)合具有高度選擇性，因為一種抗體只能識別并結(jié)合一種抗原或其最接近的抗原群。免疫仿生傳感器是一種生物傳感器，它能夠模擬人體的抗體與抗原之間的相互作用以及用于檢測目標分子的天然抗體的特性。

人工合成的仿生抗體與免疫細胞結(jié)合并促進其靶向癌細胞的示意圖

（4）酶基傳感器

酶基傳感器有幾個關鍵組成部分。首先是與目標分子或反應物分子結(jié)合并催化反應的識別元件（酶）；其次是反應底物，識別元件與其發(fā)生反應后的產(chǎn)物將產(chǎn)生可檢測的信號，如顏色變化、電化學信號或熒光信號；最后是換能器，其用于檢測產(chǎn)生的信號并將其轉(zhuǎn)換為可測量的信號輸出。

酶基生物傳感器的工作原理

綜上所述，仿生傳感器技術(shù)就像是大自然賜予我們的抗癌禮物。這些傳感器的設計靈感來源于生物的有效工作原理，它們是非侵入性的，能夠識別人體體液中的癌癥特異性標志物。這些仿生傳感器有助于癌癥的早期發(fā)現(xiàn)，并通過提供更好的治療方案來提升患者的康復機會。盡管面臨重重困難，科學家們?nèi)栽谂μ岣哌@些仿生傳感器的效率和經(jīng)濟性。由于仿生傳感器的出現(xiàn)，個性化癌癥治療和人人可享有的更健康的未來離我們又近了一步。

審核編輯：劉清