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本文综述了无标记生物传感技术（ECIS、FET、SPR）在实时细胞监测中的应用，探讨其在药物发现、细胞微环境分析和疾病诊断中的潜力，并分析了整合多技术的挑战与前景。
卡马尔·阿布哈桑（Qamar Abuhassan）、加莱布·奥里夸特（Ghaleb Oriquat）、苏布拉拉克什米·加内桑（Subbulakshmi Ganesan）、贾亚·巴努·坎瓦尔（Jaya Bhanu Kanwar）、V·拉梅什·库马尔（V. Ramesh Kumar）、维帕莎·夏尔马（Vipasha Sharma）、阿希什·辛格·乔汉（Ashish Singh Chauhan）、泽比尼索·阿利莫娃（Zebiniso Alimova）
约旦大学药学院药学与制药技术系，安曼，11942，约旦
摘要
无标记生物传感技术为研究细胞功能提供了强大的实时工具，相比标记检测方法具有显著优势。这些方法能够更生理学地评估细胞行为，从而推动基础研究和药物开发。本文重点介绍了三种用于细胞分析的无标记生物传感技术：电细胞-基底阻抗传感（ECIS）、场效应晶体管（FET）生物传感器和表面等离子体共振（SPR）。首先概述了关键的细胞诊断参数，然后总结了用于研究细胞的主要无标记光学和电化学生物传感器。讨论了它们的具体应用，包括使用ECIS和FET研究细胞微环境、屏障功能、增殖和迁移，以及使用SPR探测细胞表面的生物分子相互作用。最后，展示了这些成熟生物传感技术在药物发现、细胞生物学和毒理学等实际领域的应用。本文旨在对这些核心无标记生物传感平台及其在实时活细胞监测中的实用性进行深入分析。
引言
基于细胞的生物传感器是利用固定化的活细胞作为生物识别元件，并结合换能器来检测生理变化和环境条件的分析设备[1]、[2]。细胞介电行为主要由细胞膜的极化和自由表面电荷的扩散决定，而细胞骨架的作用较为间接[3]、[4]。质膜具有双重功能：维持离子平衡和调节物质交换的功能性作用，以及包裹细胞并将其与外部环境隔开的结构性作用。对细胞介电特性的研究有助于了解其重要结构和功能[5]、[6]。由于质膜的介电响应是影响细胞整体阻抗和电容的主要因素，因此介电特性的变化主要反映了细胞电特性的变化，这通常伴随着形态或功能的相应变化[7]。因此，介电特性的改变可能导致细胞功能的显著变化，并可作为疾病表现或细胞应激（如与衰老相关的应激）的潜在生物标志物[8]、[9]。传统的细胞功能测量技术包括Western Blotting、逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）、流式细胞术和免疫荧光等，这些技术已经非常成熟。然而，最近的研究越来越多地关注开发新型、简化的无标记细胞分析方法[10]。无标记生物传感代表了一种重要的范式转变，可以在无需侵入性或耗时技术的情况下持续监测活细胞[11]。
表面等离子体共振（SPR）技术被开发用于实时检测细胞表面的生物分子相互作用[12]、[13]。电化学方法为非破坏性、无标记、实时监测活细胞行为提供了强大的平台，能够直接观察动态的生理过程[14]、[15]。例如，一种基于两亲性适配体辅助碳纤维纳米电极的电化学纳米生物传感器已被开发出来，可用于定量测量单个活细胞中的腺苷5′-三磷酸（ATP）[16]。其他技术，如电细胞-基底阻抗传感（ECIS）和场效应晶体管（FET）生物传感器，旨在监测细胞微环境[17]、[18]。ECIS是一种无标记技术，通过电阻抗测量实时监测细胞行为，广泛用于分析细胞凋亡、细胞毒性、伤口愈合和病毒感染，为培养系统中的细胞健康和功能提供了有价值的信息[19]、[20]。本文全面概述了用于活细胞监测的基于芯片技术的最新进展。
相关内容片段
无标记传感相关的细胞特性
现代诊断整合了多个层次的生物信息，包括细胞形态、表面标记物和受体、遗传和分子分析以及功能评估[21]。通过分析这些互补的维度，临床医生和研究人员可以更精确地识别疾病、预测疾病进展，并从经验性的“一刀切”医学转向个性化的、针对患者的治疗策略[22]。
ECIS定义
ECIS技术由Giaever和Keese于1984年首次提出，是一种用于实时监测细胞行为（如附着、扩散和屏障功能）的基础体外方法[34]。在典型的ECIS设置中，培养的细胞生长在微电极上。施加的电流会测量传感器表面的阻抗，即对电流流动的阻碍。随着细胞附着并形成连续层，它们的质膜起到绝缘屏障的作用，从而导致阻抗增加
FET定义
基于FET开发的生物传感器已成为实时、非侵入性原位评估细胞微环境的主要技术。 Bio-FET基于金属氧化物半导体FET的理论原理构建，是一种结合了生物识别元件和晶体管的生物传感器，其中生物分子的作用会导致表面电位的变化，从而调节设备的性能[68]。当带电生物分子或离子在SPR定义
SPR生物传感器具有高灵敏度和定量监测结合事件的能力，是强大的分析工具，可以在无需标记的情况下实时研究生物分子相互作用[6]、[87]。它们广泛应用于药物发现、蛋白质组学、免疫测定和诊断领域。生物传感器是一类利用生物识别过程进行高灵敏度检测的化学传感器，具有较低的检测限（LOD）[88]。
ECIS、FET和SPR平台的比较分析
要开发一个统一的细胞传感概念框架，需要超越孤立地看待各种技术。整合ECIS、光学SPR和FET传感技术可以构建一个全面的、多维的细胞-传感器界面模型。每种方法都是无标记的，并提供实时测量，但它们评估的是不同的、正交的细胞特性。这一统一框架建立在互补的生物物理参数概念之上结论与未来展望
虽然ECIS、SPR和FET生物传感器的整合已经确立了“细胞芯片”作为生物分析中的变革性模型，但从强大的研究工具发展成为主流临床和制药平台仍需解决若干关键挑战。进一步的发展需要研究人员解决与单个技术相关的瓶颈问题以及它们联合应用所带来的转化挑战
CRediT作者贡献声明
贾亚·巴努·坎瓦尔（Jaya Bhanu Kanwar）：撰写——初稿、研究。奥里夸特·加莱巴尔（Oriquat Ghalebal）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、监督、研究、概念化。苏布拉拉克什米·加内桑（Subbulakshmi Ganesan）：撰写——初稿、研究。卡马尔·阿布哈桑（Qamar Abuhassan）：撰写——初稿、验证、研究。V·拉梅什·库马尔（V. Ramesh Kumar）：撰写——初稿、研究。维帕莎·夏尔马（Vipasha Sharma）：研究、概念化。阿希什·辛格·乔汉（Ashish Singh Chauhan）：撰写——审阅与编辑利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。致谢
作者感谢约旦安曼的Al-Ahliyya大学的支持卡马尔·阿布哈桑（Qamar Abuhassan）是约旦大学药学与制药技术的助理教授。他的博士学位来自2019年至2024年在斯特拉斯克莱德药学与生物医学科学研究所（Strathclyde Institute of Pharmacy and Biomedical Science）获得的。
