综述：基于细胞的电化学生物传感器在癌症诊断中的应用：进展与新兴趋势

电化学生物传感器通过整合细胞与电极界面，实时检测肿瘤氧化应激标志物、外泌体蛋白及代谢物动态，突破传统诊断高成本、侵入性限制，为精准医疗提供便携化、多组学分析平台。

Kyeong-Mo Koo|Jin-Kyu Wi|Chang-Dae Kim|Hyung-Joo Kim|Tae-Hyung Kim

韩国成均馆大学（SKKU）跨学科研究学院（ICS）智能精准医疗融合系，韩国水原市Jangan-gu区Seobu-ro 2066号

摘要

尽管成像和分子诊断技术取得了进步，但目前用于检测肿瘤进展的生物标志物仍然有限。传统的检测方法，如正电子发射断层扫描（PET）、磁共振成像（MRI）、聚合酶链反应（PCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA），仍受到高成本、繁琐程序和侵入性取样方法的限制。电化学（EC）生物传感器作为一种灵敏且无需标记的工具，能够实现实时监测，并可集成到便携式平台中。

本文综述了基于细胞的EC生物传感器，这些传感器可以直接与癌细胞相互作用，检测超出传统检测方法的动态氧化还原行为。这些系统能够捕捉细胞内外的氧化还原和代谢活动，为了解肿瘤状态和治疗反应提供功能性的见解。文章还概述了传感和界面工程策略，以解决存在的问题。最后，我们提出了将EC生物传感器与三维肿瘤模型、类器官和微流控系统结合的未来发展方向，旨在建立生理相关且多路复用的诊断平台，以促进癌症研究的转化应用。

引言

癌症是一种异质性且具有动态性的疾病，由于基因改变、代谢重编程以及肿瘤微环境的影响，早期和准确的诊断仍然十分困难。尽管传统的诊断技术（如PET、MRI、PCR和ELISA）在癌症检测和特征分析方面取得了显著进展，但它们仍受到高成本、劳动密集型过程以及需要侵入性取样的限制[1]、[2]、[3]。电化学（EC）生物传感器作为一种有前景的替代方案，能够克服这些限制[5]、[6]、[7]。近年来，EC生物传感器已被应用于多种医疗领域，包括炎症标志物、传染病生物标志物和代谢指标[8]、[9]、[10]、[11]。如图1所示，过去五年中关于用于癌症相关生物标志物的EC生物传感器的研究论文数量急剧增加，反映了人们对基于EC的癌症诊断研究的关注。基于细胞的EC生物传感器继承了这些技术，早期EC癌症传感器基于酶修饰或亲和力修饰的电极设计，用于量化特定的肿瘤相关生物标志物，为EC癌症诊断奠定了基础[12]、[13]。到了21世纪末，纳米材料被引入以增强电荷转移和信号放大能力，从而在复杂的生物环境中实现更灵敏和稳健的检测[14]、[15]、[16]。与此同时，高灵敏度的生物电子界面也得以发展，包括用于分子级检测的EC隧道结传感器和基于石墨烯的平台，能够在生理环境中实现快速而灵敏的检测[17]、[18]。在此基础上，EC生物传感技术进一步扩展到微流控和基于细胞的系统，直接探测活体肿瘤模型中的氧化还原和代谢活动[19]。通过电极-分析物界面处的氧化还原反应，EC生物传感器具有高灵敏度、快速响应、无需标记的优点，并且可以处理少量样本或直接与活体肿瘤细胞相互作用[20]、[21]、[22]。相比之下，传统诊断流程依赖于组织活检或大量血液采集，随后进行复杂的样本处理和生化分析（如组织病理学、PCR或ELISA），而EC传感则直接在电极界面或经过最小处理的肿瘤样本中获取生化信息。由于其与多种生物识别元件的兼容性，EC生物传感器成为检测疾病相关目标（包括细胞分泌物[23]、[24]、[25]、[26]、蛋白质[27]、[28]、[29]、[30]、代谢物[31]、[32]、[33]、[34]）的多功能平台。纳米技术的进步显著提升了EC平台的分析性能。将金纳米颗粒、碳纳米管和纳米线等纳米材料整合到传感器界面中，增加了电极的活性表面积，促进了电子转移，提高了生物相容性，从而降低了检测限并提高了信号保真度[35]、[36]、[37]、[38]。基于这些纳米材料的EC生物传感器可以根据信号转导和生物接口策略进行分类，包括（i）纳米酶介导的催化放大，（ii）通过适配体或抗体的分子识别，以及（iii）使用微生物或基于细胞的电极系统的直接生物耦合。本文所述的基于细胞的EC生物传感器是指将活体哺乳动物癌细胞与电极界面结合的平台，与依赖不同代谢和EC机制的微生物或非哺乳动物生物杂交系统不同。基于纳米酶的EC传感器利用类似酶的催化活性进行信号放大，但其在肿瘤来源样本中的性能受到非特异性氧化还原反应、基质依赖性信号变化和催化行为异质性的影响[39]、[40]、[41]、[42]。最近的纳米酶基EC生物传感器采用了更明确的纳米酶-电极界面和氧化还原通路，提高了信号稳定性和重复性。除了分子检测外，最新发展还将活细胞作为EC生物传感器的活性成分。ROS/RNS、线粒体代谢物（如NADH和ATP）和外泌体相关microRNA等生物标志物会随着肿瘤进展和治疗压力而变化，其临床意义在于这些动态变化，而不仅仅是单一浓度值。通过捕捉这些动态变化，基于EC的测量能够实时将氧化还原和代谢活动与肿瘤进展联系起来，实现无标记和连续的细胞状态监测。为了便于比较不同目标，表1、表2和表3总结了基于细胞的EC生物传感器中最常用的受体类型和信号放大策略。

基于细胞的EC生物传感器将活体癌细胞与电极表面结合，将细胞内的氧化还原、代谢和分泌活动转化为法拉第电流。与传统生物传感器不同，这些系统直接在完整的细胞中测量肿瘤相关活性，实现了动态细胞反应的实时EC测量[43]、[44]。这些基于细胞的平台利用活细胞对环境和生化信号的响应能力，动态分析代谢变化、氧化应激和细胞间信号传导[45]、[46]、[47]。重要的是，它们保持了生理相关性，能够综合分析肿瘤微环境条件，包括线粒体功能障碍、氧化还原失衡和外泌体相关蛋白[48]、[49]、[50]。当与纳米结构电极材料结合时，这些系统表现出更高的灵敏度和选择性，实现了更具信息量和多路复用的生物传感应用[51]、[52]。

在本文中，我们总结了基于细胞的EC生物传感器在癌症诊断方面的最新进展，重点关注三个领域：首先讨论了EC检测关键癌症生物标志物（如ROS/RNS、外泌体蛋白、microRNA和线粒体代谢物NADH和ATP）的方法；其次探讨了将功能性纳米材料与活细胞结合以提高灵敏度的策略，同时保持生理相关性；最后探讨了这些生物传感器在精准肿瘤学中的多路复用、实时和即时诊断潜力（见图2）。

章节片段

氧化应激生物标志物的EC检测

氧化应激日益被视为癌症中的关键生物标志物，反映了驱动肿瘤发生、进展和治疗抵抗的氧化还原失衡[53]、[54]。这种促氧化剂与抗氧化系统之间的失衡导致ROS和RNS的积累，进而损害细胞大分子并调节致癌信号通路[55]、[56]。在氧化应激指标中，ROS和RNS尤为重要，因为它们

外泌体癌症标志物的EC检测

外泌体越来越被认为是细胞间通信的重要介质，通过纳米级囊泡运输蛋白质、脂质和核酸[95]。通过促进细胞间的分子信息交换，它们调节从免疫调节和组织再生到肿瘤进展和转移的各种过程[96]。由于其多样的生物分子组成和与疾病相关的特征，外泌体在

小分子代谢物和氧化还原动态的EC检测

除了外泌体miRNA分析外，EC生物传感技术还广泛应用于细胞代谢的研究[132]。细胞代谢包含一系列酶促反应，其中电子转移在维持能量稳态、驱动生物合成和调节氧化还原平衡中起着核心作用

结论与展望

EC生物传感器已成为癌症研究和诊断的强大分析工具，能够实现实时、无标记和非侵入性的临床相关生物标志物检测。基于细胞的EC系统特别有价值，因为它们能够捕捉反映活细胞生理状态的动态代谢和信号活动。这些平台已被用于监测氧化应激物质、外泌体标志物和线粒体代谢物，从而提供了

CRediT作者贡献声明

Jin-Kyu Wi：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、概念设计。Chang-Dae Kim：撰写——审稿与编辑。Hyung-Joo Kim：撰写——审稿与编辑。Tae-Hyung Kim：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源获取、资金筹集、概念设计。Kyeong-Mo Koo：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、概念设计

数据可用性

本研究未使用任何数据来支持研究结果。

利益冲突声明

所有作者均声明无利益冲突。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）支持的纳米与材料技术开发计划（由韩国科学技术信息部（MSIT）资助，项目编号RS-2024-00410437）；韩国再生医学基金（由MSIT和卫生福利部资助，项目编号RS-2022-00070316）；以及韩国健康产业开发研究所（KHIDI）支持的韩国ARPA-H项目（由卫生部资助）的支持。