《Microchemical Journal》：CRISPR/cas systems and biosensors in cancer: From genome editing to point-of-care diagnosis
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CRISPR/Cas系统与生物传感技术融合推动癌症精准诊疗发展，涵盖早期诊断标志物检测、基因编辑治疗及系统稳定性优化，强调多模态检测与临床转化挑战。
贝尔格扎尔·卡拉达格（Belgüzar Karada?）| 奇格尔·比拉伊·阿夫贾（????r Biray Avc?）
土耳其伊兹密尔博尔诺瓦（Bornova）埃盖大学（Ege University）理学院生物化学系，邮编35040
摘要
由规律间隔短回文重复序列（CRISPR）/Cas系统实现的核酸程序化识别和操控对当代癌症研究和诊断技术产生了重大影响。与此同时，生物传感器技术也发展成了高度敏感、紧凑的平台，可用于即时检测（POC）场景。本文探讨了CRISPR/Cas系统与生物传感器在肿瘤学中的关系，涵盖了生物标志物检测技术和基因组编辑治疗方面。我们描述了Cas9、Cas12和Cas13的基本特征和机制，这些机制支持生物传感信号的产生以及治疗性编辑。目前正利用基于CRISPR的生物传感器（如电化学、光学和荧光设备）来检测循环肿瘤DNA（ctDNA）、微小RNA（miRNA）、外泌体和蛋白质生物标志物。我们还概述了针对免疫检查点、癌基因和DNA修复途径的临床前研究进展。最后，我们批判性地分析了一些持续存在的问题，如样本基质干扰、脱靶效应、信号放大变异性、系统稳定性以及实际应用于POC的障碍。本文旨在通过总结共同的设计概念、局限性和潜在路径，为下一代CRISPR/生物传感器平台的开发提供指导，以用于癌症诊断和治疗。
引言
单个细胞或细胞群体中的分子改变会导致癌症，这是一种高度复杂的遗传和表观遗传疾病，在组织、肿瘤和细胞层面表现出显著的异质性[1]。近年来，基因治疗和免疫治疗在癌症治疗中的重要性日益凸显。特别是癌症免疫治疗旨在刺激患者的免疫系统，使其能够精准识别癌细胞。由于某些血液系统恶性肿瘤的免疫抑制特性，人们开始研究抗肿瘤疫苗和单克隆抗体等方法[2]。癌症进展的特点是遗传和表观遗传变化的持续积累、基因组的持续不稳定以及肿瘤微环境中各种细胞类型之间的复杂相互作用。这些信号网络形成了促进恶性生长的保护性环境，并限制了传统疗法的效果，这凸显了需要更精确和有效的治疗方式的迫切性[3]。这种生物学复杂性强调了需要具有高分子特异性和适应性的技术。
灵敏的分子识别和可编程的基因操控技术正变得越来越流行。由于其精确的基因编辑能力，规律间隔短回文重复序列（CRISPR）/Cas系统正在改变癌症治疗方式。这些特点与它们的灵活性、简单性和高效性密切相关。为了阻止肿瘤扩散，CRISPR系统还针对癌基因以及与免疫和肿瘤生长相关的基因。如果能够开发出高度可靠的递送系统，预计其在癌症治疗中的有效应用将会增加。必须解决诸如载体封装、克服物理和细胞内障碍以及确保在目标部位充分积累等问题。开发先进的递送方法对于充分发挥CRISPR/Cas系统在癌症治疗中的潜力至关重要[4]。除了治疗潜力外，这些分子特性还使CRISPR/Cas系统成为分析和诊断技术的有吸引力的组成部分。
除了治疗性基因组编辑之外，基于CRISPR的策略还扩展到了癌症筛查、诊断和功能基因组学领域。最近的研究表明，通过非病毒纳米载体递送CRISPR可用于质粒DNA、RNA和核糖核蛋白复合物。涉及目标基因选择、单引导RNA（sgRNA）设计和递送方法的优化策略进一步提高了效率[5],[6],[7]。基于CRISPR的筛查平台广泛用于体外和体内实验，以识别肿瘤生长和免疫逃逸的调控因子[8]。同时，基于CRISPR的生物传感器因其在早期癌症检测中的高灵敏度和特异性而受到关注[9]。然而，尽管这些治疗和诊断应用依赖于共同的分子原理，但它们往往被单独讨论。
尽管取得了这些进展，文献中经常将基因组编辑和基于生物传感器的CRISPR应用分开讨论，这阻碍了对它们综合分析和转化潜力的全面理解。本文重点关注癌症筛查、诊断和治疗方法，整合了这些发展，强调了通过生物传感器实现早期检测、精准诊断和转化治疗的综合架构，与大多数分别研究这些应用的研究不同。生物传感器提供了分子识别与可在临床环境中使用的信号之间的关键联系。
生物传感器将生物识别元件与换能器结合在一起，将生化事件转化为可测量的信号。它们提供快速、实时且高度准确的输出，使其在现代诊断中至关重要[10]。生物传感器广泛应用于健康诊断、癌症检测、药物递送、环境监测以及食品安全和水质监测，对精准医疗越来越重要[11]。这种将分子相互作用转化为可测量信号的能力可以有效补充基于CRISPR的程序化识别系统。
数字健康监测的兴起进一步增强了疾病检测能力。便携式平台（包括可穿戴设备和皮肤粘附设备）与智能手机和其他数字系统集成在一起。这些技术使得生物标志物的及时识别和定量分析成为可能，将传统医疗转变为可访问、实时和预防性的解决方案[12],[13],[14],[15]。仔细考虑这些因素可能有助于提高临床应用中的稳健性、可重复性和可靠性。然而，将CRISPR/Cas系统整合到生物传感器平台中引入了额外的分析和工程挑战，需要对其进行批判性评估。尽管取得了进展，但在生物传感器平台中实施CRISPR/Cas系统仍存在信号稳定性、脱靶效应和可扩展性等挑战。本文重点介绍了基于CRISPR的方法在癌症筛查、诊断和治疗方面的应用，提供了关于早期检测、精准诊断和转化治疗途径的全面概述。
首先概述基于CRISPR的基因组编辑和生物传感器技术的基本原理，然后对癌症诊断和治疗的最新进展进行批判性分析，最后总结了当前的限制和未来向临床可转化的CRISPR驱动生物传感器系统发展的挑战。
部分摘录
生物传感器系统及其应用领域
由于对灵敏、选择性和治疗转化性分析平台的需求不断增加，生物传感器技术在过去几十年中迅速发展。尽管方法存在很大差异，但许多生物传感器系统在分析稳健性、可重复性和实际可用性方面仍存在问题。
生物传感器是一种分析工具，它结合了物理化学换能器和生物识别元件，用于定量检测目标分析物。
CRISPR的分类和类型
CRISPR系统是许多现代基因组编辑和生物传感技术的分子基础。因此，了解它们的分类和机制多样性对于评估其在癌症诊断和治疗应用中的适用性至关重要。
细菌和古菌利用CRISPR系统作为适应性免疫机制，以抵御噬菌体、质粒和其他移动遗传元件等入侵遗传因子[33]。CRISPR/Cas
CRISPR/cas基因组编辑机制及其在癌症中的治疗应用
基因组编辑工具在哺乳动物细胞中的出现，特别是CRISPR/Cas9系统，使得能够系统地研究众多基因组位点，评估它们对基因表达和细胞表型的影响[38]。该系统能够精确且可编程地修改基因组DNA。重要的是，这些修改是位点特异性的，并适用于不同的生物体和细胞环境。因此，CRISPR已成为现代基因组学的核心平台
用于癌症诊断的CRISPR增强型生物传感器
基于CRISPR的生物传感器作为一种变革性技术，在个性化医疗和早期诊断中发挥着重要作用，因为它们能够将分子识别事件转化为高度敏感且具有临床意义的信号。它们的优势在于高序列特异性、快速检测动力学、操作简便性和等温信号放大，这些特点共同解决了传统诊断平台的关键局限性。挑战、评论和未来方向
CRISPR诊断方法具有独特的检测核酸和其他生物标志物的能力，适用于包括癌症、遗传疾病和传染病在内的广泛领域。此外，它作为一种变革性技术，提供了速度、灵敏度和多功能性。特别是在成本效益、便携性和可视化读数潜力方面，使其成为即时检测和分散式测试的理想候选者
结论
2020年诺贝尔化学奖授予埃马纽埃尔·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·A·杜德纳（Jennifer A. Doudna），以表彰她们开发出CRISPR/Cas9基因组编辑系统，这标志着分子生物学的一个转折点，促进了包括癌症在内的生物医学领域的广泛研究。从那时起，CRISPR/Cas平台越来越多地被研究其在治疗性基因组编辑和诊断应用中的潜力。
在肿瘤学中，CRISPR/Cas系统与
CRediT作者贡献声明
贝尔格扎尔·卡拉达格（Belgüzar Karada?）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化、方法学设计、概念化、验证。奇格尔·比拉伊·阿夫贾（????r Biray Avc?）：撰写——综述与编辑、验证、方法学设计、概念化、监督、初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
B. 卡拉达格（B. Karadag）感谢TUBITAK-BIDEB在她攻读博士学位期间提供的支持，该支持来自2211-A国内博士奖学金计划。
