《Current Opinion in Biotechnology》：Cell-free biosensors: where have we been and where do we need to go?
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这篇综述系统梳理了无细胞生物传感器（Cell-free biosensors）近五年的技术突破与未来挑战。文章指出该技术通过整合CRISPR-Cas、适配体（Aptamer）、变构转录因子（aTF）等分子机制，结合电路信号处理、材料封装与设备集成，有望实现低成本、便携式的环境监测和疾病诊断。作者强调需通过实地部署研究解决技术稳定性、规模化制造及政策监管等核心问题，最终推动技术从实验室走向真实世界应用。
引言
全球每年需进行数十亿次诊断检测以监控环境、食品和水体质量。当前诊断市场以实验室技术为主导，而无细胞生物传感器作为一种新兴平台技术，凭借其低成本、快速、模块化和可编程的特性，有望突破传统检测的设备和专业知识壁垒。该技术通过重构细胞用于感知环境的DNA、RNA和蛋白质，在体外实现生物传感功能，并可部署于家庭和现场场景。
技术进展：多元化传感机制
近年来无细胞生物传感器检测靶标范围显著扩展，涵盖重金属、病毒、抗生素及蛋白质等。其核心突破在于整合多种天然分子机制：
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DNAzyme 在配体存在时切割荧光-淬灭剂对，支持侧流层析试纸条（LFA）读数；
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适配体与核酶 通过配体依赖性自切割调控翻译过程；
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CRISPR-Cas系统 利用可编程核酸酶实现靶标检测，耦合荧光或LFA输出；
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核糖开关 通过转录或翻译调控报告基因表达；
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变构转录因子 在体外转录翻译系统中调节荧光或比色输出；
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工程化受体 如分裂T7 RNA聚合酶系统，将结合事件转化为报告信号。
此外，人工智能辅助的定向进化技术正推动传感器灵敏度与特异性的优化。
信号处理与电路集成
仿生基因电路为传感器添加了信号处理层。基于链置换的核酸电路可实现布尔逻辑运算和信号放大，例如共转录RNA链置换技术可在无细胞系统中构建多层自组装电路，提升检测的数字化响应能力。
材料封装与设备集成
为提升稳定性，传感器被嵌入脂质体或水凝胶等材料中。脂质体封装可保护反应组分免受环境降解，而核酸水凝胶可直接作为DNA模板提升转录效率。设备集成方面，传感器已与便携荧光仪、LFA试纸条及血糖仪等设备耦合，其中与血糖仪的接口通过表达葡萄糖生成酶实现电信号输出，为定量检测提供新思路。
从实验室到现场的挑战
早期实地部署研究揭示了技术落地的关键瓶颈。例如在美国加州坎普山火后的水质检测中，传感器包装问题导致初期失效；肯尼亚氟化物检测项目发现运输中的温度波动严重影响稳定性。这些案例凸显了标准化包装、温度耐受性及非专家用户操作流程的重要性。成功的现场研究需建立社区咨询委员会，并提前规划伦理审查与合规流程。
未来发展方向
领域需共同应对四大核心问题：
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市场定位：明确技术在医疗、环境、农业等领域的商业化路径与付费模式；
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政策监管：厘清安全规范与认证流程，推动政策从“屏障”转为“驱动”；
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规模化制造：通过自动化生产与本地化制造降低成本，提升供应链韧性；
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技术攻坚：重点突破样品基质抑制、反应速度、低温稳定性等共性难题。
结语
无细胞生物传感器技术已进入从原理验证到实地应用的关键阶段。通过多学科协作解决技术适配性与社会接受度问题，有望最终实现其改善全球健康与可持续发展的潜力。
