癌症仍然是全球主要的死亡原因之一。传统的诊断技术，如超声成像、磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）和组织病理学评估，在临床决策中发挥着重要作用。然而，这些方法主要在肿瘤晚期才被发现，且常常需要侵入性操作。尽管组织活检被认为是肿瘤基因分型的金标准，但它存在采样偏差、难以到达转移部位以及无法支持长期监测的问题[1]。液体活检作为一种微创替代方案，通过分析血液、尿液和脑脊液等体液中的循环生物标志物，能够实现疾病进展的动态监测[2]、[3]、[4]、[5]。最近的多学科进展进一步强调了液体活检在癌症诊断和决策中的临床重要性[6]。
在循环生物标志物中，微小RNA（miRNAs）因具有稳定性强、丰度高以及与癌症发生和发展高度相关而受到越来越多的关注[7]、[8]、[9]、[10]。miRNAs是长度约为21–25个核苷酸的短链非编码RNA，它们在转录后水平调节基因表达。其表达谱的失调与肿瘤增殖、转移和免疫逃逸密切相关[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。因此，循环miRNAs被广泛认为是癌症诊断和监测的有希望的液体活检生物标志物[16]。
由于许多miRNAs参与多种疾病途径，单个生物标志物往往不足以准确诊断癌症。特别是miR-21和miR-155这两种已知的致癌miRNAs，在乳腺、肺和血液系统恶性肿瘤中经常共同过表达，它们的同时失调显著提高了诊断和预后的准确性[17]、[18]、[19]、[20]。这一点在血液系统疾病中尤为重要，因为液体活检策略正越来越多地被用于疾病分型和治疗监测[21]。因此，多重miRNA检测（而非单一分析）被视为提高基于液体活检的癌症诊断可靠性的关键要求[22]。
逆转录定量PCR（RT-qPCR）被广泛用于miRNA定量；然而，它需要繁琐的样本准备、标记和扩增过程，这限制了其在临床应用中的实时性。电化学和光学生物传感器也被探索作为替代方法，但它们通常面临多重检测能力、操作简便性或在复杂生物基质中的稳健性方面的挑战[23]、[24]。在其他疾病领域的先进生物传感应用中也报告了类似的局限性，这突显了集成和稳健传感平台的必要性[25]。
基于场效应晶体管（FET）的生物传感器，尤其是硅纳米线FET（Si-NW FET）设备，具有无标记、高灵敏度和实时信号传输的特点，并且适用于大规模半导体制造。当表面修饰了特定的DNA探针后，Si-NW FET可以检测到极低浓度的循环miRNAs，甚至达到飞摩尔（fM）水平——使其特别适合早期癌症诊断[26]、[27]。在先前的文献中，Zhang等人报道了最早的芯片级多重SiNW-FET生物传感器之一，能够检测人类唾液中的两种蛋白质生物标志物——肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-8（IL-8），用于口腔鳞状细胞癌的诊断[28]。虽然这些及相关研究证明了在SiNW-FET平台上实现空间分辨多重检测的可行性，但大多数报道的系统仅关注单一类别的分析物，缺乏系统的抗污染策略，或者没有解决传感器的重复使用问题，从而限制了其在实际液体活检场景中的应用。
最近的研究表明，表面工程——特别是使用基于聚乙二醇（PEG）的自组装单层——对于抑制非特异性吸附和在高离子强度及生物复杂环境中的保持稳定传感性能至关重要。在我们之前的工作中，系统优化了SiNW-FET用于miRNA检测的硅烷-PEG-NH?/silane-PEG-OH混合比例，发现1:3的NH?:OH比例在探针密度、抗污染能力和有效的Debye长度调节之间提供了最佳平衡，从而实现了最大的电信号响应和提升的检测灵敏度[29]。此外，关于表面修饰策略的比较研究表明，基于PEG的界面相比传统的氨基硅烷接头具有更好的抗污染性能和信号稳定性，支持其在复杂生物基质中的可靠生物传感[30]。
基于这些进展，我们开发了一种基于硅纳米线场效应晶体管（Si-NW FET）的生物传感器，用于同时检测两种临床相关的癌症相关miRNAs：miR-21和miR-155。传感机制基于表面固定的探针与目标miRNAs之间的特异性杂交，这种杂交在纳米线通道中引起电荷调制，产生可量化的电信号。为了实现空间分辨的多重检测，芯片表面被划分为两个探针功能区。
我们使用荧光标记的miRNAs评估了包括80°C热水和8M尿素连续冲洗的再生协议，以检验传感器的重复使用可行性。该平台在广泛的浓度范围内对互补的miRNA目标表现出高特异性。此外，还在添加了合成miRNA混合物的人类血清样本中进一步检验了抗干扰行为和分析性能。总体而言，这种集成工程策略——结合多重检测设备架构、基于PEG的抗污染表面修饰和传感器再生——解决了miRNA液体活检传感中的关键问题，包括串扰、基质干扰和一次性操作的成本效率问题，凸显了基于SiNW-FET平台的未来准确且微创癌症诊断的潜力。
