大家好！今天来了解一篇生物传感器的综述文章——《Recent Advances in Hydrogel-Based Biosensors for Cancer Detection》发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。生物传感器作为一种新兴技术展现出巨大潜力。而水凝胶，凭借其独特的性质，成为生物传感器的理想材料。那么，基于水凝胶的cancer生物传感器究竟是如何合成的？又在cancer检测中有着怎样的应用？它们面临哪些挑战？未来的发展方向又在哪里呢？
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言
生物传感器作为一种新兴的检测技术，具有快速、准确、经济高效等优点，在癌症检测中具有巨大的应用潜力。水凝胶作为一种新型的生物材料，具有独特的物理和化学性质，可与生物传感器相结合，提高其性能。本文将综述基于水凝胶的癌症生物传感器的最新进展，包括其合成、应用和面临的挑战，并讨论这一新兴领域的影响和未来方向。
二、水凝胶作为生物传感器的基础材料
（一）水凝胶的结构与合成
水凝胶是由亲水性聚合物组成的三维交联网络，可由合成或天然聚合物通过物理或化学交联方法制成。常见的合成聚合物包括聚（2-羟基乙基甲基丙烯酸酯）（PHEMA）、聚乙二醇（PEG）、聚丙烯酰胺（PAM）和聚乙烯醇（PVA）等，天然聚合物包括藻酸盐、几丁质、纤维素和壳聚糖等。物理交联的水凝胶通过分子链缠结或疏水/亲水相互作用、氢键、离子/静电相互作用和结晶形成等方式形成聚合物网络，化学交联的水凝胶则通过形成共价键的方式制备，如光诱导交联、小分子交联和酶诱导交联等。
（二）水凝胶的独特性能
1、模拟细胞环境
水凝胶具有高含水量（通常超过90%），与生物分子高度相似，可保持生物分子的活性和功能，为生物传感提供了一个更自然的环境。例如，与刚性塑料表面相比，水凝胶的高含水量使其更具生物相容性，能够让生物分子更好地发挥作用。
2、可调节的表面性质
水凝胶的表面性质可通过调整其组成、孔径大小和交联密度等进行特异性设计，从而实现与目标分子的高特异性和敏感性结合。这使得水凝胶能够针对不同的检测需求进行定制，提高生物传感器的性能。
3、信号放大
某些水凝胶在与生物分子结合时会发生物理变化（如膨胀或收缩），这种变化可以放大生物分子结合所产生的信号，从而提高检测的灵敏度。
（三）水凝胶在生物传感中的应用优势
水凝胶在生物传感应用中具有诸多优势。它不仅可以保持生物分子的稳定性和功能性，还能通过自身的特性实现高特异性和敏感性检测。同时，水凝胶能够将生物识别事件转化为可测量的信号，为癌症生物传感器的开发提供了良好的基础。例如，通过将生物分子或活细菌整合到水凝胶中，可以开发出各种基于水凝胶的生物传感器。
三、基于水凝胶的癌症生物传感器的类型及研究进展
（一）肽水凝胶生物传感器
1、特性与优势
肽水凝胶由氨基酸链组成，是一种天然的自组装材料，具有可设计、可生物降解、无毒、廉价和低免疫原性等优点，适用于多种生物医学应用。
2、研究实例
HER2检测：Wang等人设计了一种基于PEDOT-肽的水凝胶生物传感器，用于检测乳腺癌标志物HER2。该传感器通过固定HER2抗体并在水凝胶中封装HRP，实现对HER2的选择性识别。HER2与抗体结合后会形成复合物，影响电子传递，从而导致电流信号变化。利用差分脉冲伏安法测量电流变化，可实现HER2的定量检测，检测限为45 pg/mL，线性范围从0.1ng/mL到1.0 μg/mL。
MMP-7检测：Zhang等人开发了一种结合了多功能肽水凝胶与脲酶@沸石咪唑骨架的传感平台，用于检测肿瘤标志物MMP-7。该平台通过监测MMP-7与尿素顺序作用引起的电流信号变化来实现检测，首先电流会因MMP-7的作用上升，随后因尿素诱导的PbCO₃沉淀而下降。此传感器对抗污染能力强，对MMP-7的检测限为24.34 fg/mL，线性检测范围为0.1 pg/mL 至 100 ng/mL。
PSA检测：Du等人开发了一种基于抗污染两性离子肽（CFEFKFC）水凝胶的生物传感器，用于检测前列腺特异性抗原（PSA）。该传感器通过在PEDOT/AuNPs修饰的电极上固定抗PSA抗体，实现对PSA的检测。PSA与抗体结合后，影响了电子转移，使电化学信号减弱。该传感器具备良好的抗污染性能，检测下限为5.6 pg/mL，检测范围从0.1 ng/mL到100 ng/mL。
3、挑战
肽水凝胶生物传感器存在一些挑战，如分子识别机制局限、难以检测多种生物标志物、在实际样品中性能不佳等。复杂的样品成分会导致显著的背景噪声，影响分子识别的准确性，非特异性分子吸附也限制了其临床应用。
（二）DNA水凝胶生物传感器
1、特性与优势
DNA水凝胶由DNA分子交联和杂交形成的高度交联聚合物网络，具有机械刚性、生物相容性、可生物降解、高物理化学稳定性和可编程性等优点，适用于多种生物医学应用，尤其是生物传感。
2、研究实例
miRNAs检测：Si等人制备了一种基于目标微小RNA（miRNA）-响应DNA水凝胶的表面增强拉曼散射（SERS）传感器阵列，用于检测多种癌症相关miRNAs。该传感器阵列通过将链霉亲和素（streptavidin）修饰在传感器表面，并制备目标miRNA-响应DNA水凝胶，实现了对miRNAs的检测。当目标miRNA存在时，相应传感单元的DNA水凝胶会解体，使SERS标签能够通过水凝胶并被捕获在链霉亲和素修饰的检测表面，从而产生强烈的拉曼信号。
外泌体检测：Yang等人开发了表面增强拉曼光谱（SERS）-活性DNA功能化水凝胶（SD水凝胶），用于检测肿瘤衍生外泌体。通过检测不同浓度的互补适体在磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中的SERS强度，证明了SD水凝胶的检测能力。该DNA水凝胶生物传感器的检测下限约为22μL⁻¹。
miR-17检测：Yang等人设计了一种基于CRISPR-Cas-催化形成量子点-DNA（QD-DNA）水凝胶的检测系统，用于检测miR-17。该检测系统利用CRISPR-Cas13a转切割-释放产物催化的toehold-介导的链置换（TMSD）扩增，并通过自组装QD-DNA水凝胶检测目标miRNAs，其中量子点（QDs）被有效猝灭。该系统对几种细胞系中的miR-17水平进行了高灵敏度检测，最低检测下限为182aM。
肿瘤复发监测：Wang等人开发了一种具有免疫调节功能的特殊DNA水凝胶，用于早期监测和抑制术后肿瘤复发。该水凝胶通过将Ce6和cAS-负载的水凝胶（CPDH-Ce6@cAS）与DNA模板相结合，实现了对肿瘤细胞的富集和ATP浓度的监测。在小鼠模型中，该水凝胶系统能够及时检测肿瘤复发。
3、挑战
DNA水凝胶生物传感器也面临一些挑战，如制作复杂、成本高、DNA分子易降解、可能引发免疫反应、灵敏度低且检测对象单一等。这些问题限制了其在临床中的应用，需要进一步研究解决。
（三）导电聚合物水凝胶生物传感器
1、特性与优势
导电聚合物水凝胶（CPHs）将导电聚合物和水凝胶的优点相结合，具有良好的电学和机械性能，广泛应用于生物医学领域，尤其是生物传感。
2、研究实例
CEA检测：Huang等人设计了一种结合纳米结构CPH与金纳米粒子（AuNPs）的无标记电化学免疫传感器，用于检测癌胚抗原（CEA）。该传感器利用纤维素纳米晶和苯磺酸钠掺杂的聚吡咯与AuNPs及抗CEA抗体构建在玻璃碳电极上，实现对CEA的高度敏感检测。CEA与抗体结合后形成的复合物会影响电子传递，造成电流信号降低。该传感器的检测限为0.06 fg/mL，检测范围从1 fg/mL到200 ng/mL。
癌细胞检测：Robby等人开发了一种聚多巴胺-负载谷胱甘肽响应聚合物点（PDA@PD）水凝胶为基础的电子皮肤传感器，用于检测癌细胞。该传感器将PDA@PD纳米粒子融入聚丙烯酰胺基质中，形成PDA@PD-PAAm水凝胶。在癌细胞存在下，谷胱甘肽促使PD中二硫键断裂，释放PDA，进而引起电导率变化。此传感器对CD44受体表现出高选择性，并能检测包括MDA-MB-231、KB和HeLa在内的多种癌细胞系。
肿瘤微环境检测：Robby等人开发了一种基于pH响应性CD-PNB纳米粒子的无线应变-压力水凝胶传感器，用于检测肿瘤微环境。该传感器通过将CD-PNB纳米粒子加入聚乙烯醇（PVA）基质中，形成CD-PNB@PVA水凝胶。在应变和压力作用下，CD-PNB内的二醇-二醇键断裂，产生特定的电子信号变化。该传感器对于肿瘤细胞（如HeLa和PC-3）显示出更高的应变-压力敏感性，相较于正常细胞（如MDCK和CHO-K1），能产生更为显著的电子信号。
3、挑战
导电聚合物水凝胶生物传感器面临的挑战包括如何在不破坏其结构和功能的情况下进行灭菌，电稳定性和电活性有限，实际应用中需高度响应并区分微小人体运动等。
（四）细胞基水凝胶生物传感器
1、特性与优势
细胞基水凝胶生物传感器利用细胞感知和响应环境刺激的能力，具有移动性、低成本、模块化、稳定性、操作方便和可控性等优点，适用于多种生物医学应用，尤其是癌症检测。
2、研究实例
细菌生物传感器：Chien等人利用工程细菌创建了一种能感知pH、氧气或乳酸的生物传感器，用于检测肿瘤。该传感器通过合成特定的天然启动子，并将其克隆到带有sfGFP基因的ColE1 pTD103质粒上，实现肿瘤环境的检测。通过改变基因拷贝数、核糖体结合位点、反义启动子及蛋白降解标签等参数，可以进一步优化传感器的性能。该生物传感器在细菌中与AND逻辑门结合，增强了对皮下肿瘤模型中小鼠肿瘤的特异性识别。
工程化活材料：近年来，开发出了包含活细胞与聚合物基质（如水凝胶）的工程化活材料。这种工程化活水凝胶利用基因改造的活细胞执行特定功能，水凝胶则提供结构支持和机械限制。当目标分析物进入水凝胶时，可被细胞的传感模块检测，并触发信号传递至报告模块，最终产生可测量的信号。例如，Weiden等人表明，负载激活T细胞的水凝胶支架可以应用于抗肿瘤免疫治疗。
3、挑战
细胞基水凝胶生物传感器在构建和应用过程中面临一些挑战，如构建过程复杂，需要特殊系统和大量时间优化；商业化面临细菌难以灭菌等问题，这对良好生产规范（GMP）原则构成挑战，并引发生物安全和生物安保问题。
四、基于水凝胶的癌症生物传感器面临的挑战及未来发展方向
（一）面临的挑战
1、材料本身局限
某些水凝胶存在机械强度不足的问题，影响其耐久性、长期可靠性和一致性能。
水凝胶的结构复杂，在制造和使用过程中难以操作。
确保水凝胶的稳定存储条件和可重复的结果仍然是一个挑战。
2、实际应用困难
需要开发紧凑、微型化的生物传感器，以便通过便携式设备（如智能手机）收集信号，使其成为癌症即时检测诊断的潜在设备。
目前基于水凝胶的癌症生物传感器更多用于体外检测，体内应用面临感染、免疫反应和生物过程干扰等风险，同时还需要解决生物相容性、稳定性和信号传输等技术难题。
（二）未来发展方向
1、技术改进
通过设计、修改和组装荧光、离子导电和导电水凝胶等来提高生物传感器的性能。
结合智能材料设计更高效的DNA水凝胶，如设计能够更有效地响应生物分子并改善货物扩散时间的智能DNA水凝胶。
深入了解DNA水凝胶在体内的释放和代谢机制，以优化生物传感器和治疗性能。
2、应用拓展
进一步研究细胞基水凝胶生物传感器的潜力，充分利用其优势。
开发用于体内检测的水凝胶传感器，将传感器放置在高风险区域或器官附近，实现早期癌症检测和治疗一体化的诊疗应用（theragnosticapplications）。
五、一起来做做题吧
1、生物传感器在癌症检测中具有优势，以下不属于其优势的是（ ）
A. 快速、准确
B. 经济高效
C. 完全取代现有诊断方法
D. 通过生物 / 生化反应检测目标分析物
2、水凝胶作为生物传感器基础材料，以下关于水凝胶的说法错误的是（ ）
A. 是三维交联网络的亲水性聚合物
B. 只能由天然聚合物制成
C. 具有高含水量
D. 可设计对各种刺激作出响应
3、肽水凝胶生物传感器的优点不包括（ ）
A. 可设计
B. 不可生物降解
C. 无毒
D. 廉价
4、DNA 水凝胶生物传感器面临的挑战不包括（ ）
A. 制作简单且成本低
B. DNA 分子易降解
C. 可能引发免疫反应
D. 灵敏度低且检测对象单一
5、导电聚合物水凝胶生物传感器的特性是（ ）
A. 电学和机械性能差
B. 结合了导电聚合物和水凝胶的优点
C. 无需考虑灭菌问题
D. 电稳定性和电活性优于金属
6、细胞基水凝胶生物传感器的优势不包括（ ）
A. 移动性
B. 成本高
C. 模块化
D. 操作方便
7、基于水凝胶的癌症生物传感器在实际应用中面临的困难不包括（ ）
A. 需要开发紧凑、微型化的传感器
B. 体内应用时生物相容性良好无需改进
C. 体外检测居多，体内应用有风险
D. 信号传输存在问题
8、以下不属于基于水凝胶的癌症生物传感器未来发展方向的是（ ）
A. 通过设计、修改和组装相关水凝胶提高性能
B. 不再研究细胞基水凝胶生物传感器
C. 开发体内检测的水凝胶传感器
D. 深入了解 DNA 水凝胶在体内的释放和代谢机制
参考文献：
Sun S, Chen J. Recent Advances in Hydrogel-Based Biosensors for Cancer Detection. ACS Appl Mater Interfaces. 2024 Sep 11;16(36):46988-47002.
