综述：基于miRNA的纳米生物传感技术在癌症检测方面的进展：一篇综合性综述

《Gene Reports》：Advancement in miRNA-based nano-biosensing for cancer detection: A comprehensive review

　　安贾利·拉纳（Anjali Rana）|希瓦姆·拉杰普特（Shivam Rajput）|萨特维克·贝拉戈杜·斯里达尔（Sathvik Belagodu Sridhar）|贾维德·沙里夫（Javedh Shareef）|塔伦·瓦德瓦（Tarun Wadhwa）|阿伦·米塔尔（Arun Mittal）|切坦·瓦希斯特（Chetan Vashist）|里沙巴·马尔维亚（Rishabha Malviya）
印度哈里亚纳邦索尼帕特（Sonipat）的印度教药学院

**摘要**
癌症是全球主要的死亡原因。近年来，分子诊断在癌症预测和诊断方面显示出了巨大的潜力。纳米生物传感器和临床检测及诊断系统中使用的纳米级成分，相较于传统方法，提高了癌症检测的特异性和灵敏度。内源性微小RNA（microRNA，简称miRNA）是一种功能性的22个核苷酸组成的微小RNA。miRNA可作为癌症检测、诊断和预后的生物标志物。miRNA生物标志物和纳米生物传感技术通过促进早期识别、个性化治疗以及改善临床结果来增强癌症诊断能力。本研究探讨了miRNA在癌症发生中的生物学作用及其在定制治疗和早期诊断中的潜力，并简要描述了用于癌症检测的miRNA检测方法。通过对相关文献的全面分析，研究了用于癌症检测的各种纳米生物传感器、不同的miRNA检测方法及其扩增策略。文章数据来源于ScienceDirect、Scopus、PubMed和Google Scholar等数据库。miRNA已被公认为识别多种疾病（包括癌症）的重要诊断标志物。未来通过纳米材料进行miRNA检测的发展取决于调控固定miRNA链的技术以及电极本身的性能。

**引言**
由于癌症不受控制的生长、分裂和侵袭性，它夺去了全球许多人的生命。遗传因素、环境污染物和不良饮食习惯只是导致癌症发展的众多因素中的一部分。研究表明，早期、局部的疾病检测是提高五年生存率10-70%的唯一途径（Alteri等人，2016年）。每年有六分之一的人死于癌症，这使得癌症成为一个全球性的公共卫生问题。癌症的治疗一直是一个极其复杂的过程。2020年，全球记录了超过1930万新发癌症病例和约1000万癌症死亡病例。几十年来，癌症患者的治疗选择有限，主要包括手术、放射治疗和化疗，这些方法通常单独使用或联合使用。尽管如此，它们尚未能够完全治愈疾病，并面临显著的局限性，如肿瘤选择性低、全身毒性、脱靶毒性、多药耐药性以及对人类健康的严重负面影响。近年来，miRNA领域探索了其在转化研究中的应用潜力，最终目标是将其作为癌症诊断的生物标志物。miRNA是一种长度为22至25个核苷酸的小型非编码RNA，通过结合目标mRNA的3′非翻译区（UTR）来有效抑制其翻译。然而，miRNA的微小尺寸、在体液中含量有限以及序列高度同源性限制了基于miRNA的诊断技术的临床应用。本研究旨在揭示与癌症发生相关的潜在miRNA，这些miRNA可能对乳腺癌、前列腺癌和宫颈癌等疾病的早期诊断有益。基于纳米技术的生物传感平台已成为研究人员克服这些限制的首选工具。纳米材料增强的生物传感器为miRNA的快速、准确和非侵入性检测提供了有效方法。现代癌症诊断和治疗方法有望从新型纳米生物传感器的发展中受益匪浅。多种纳米生物传感器系统在癌症研究模型中表现出优异的表现，人们对未来这些纳米材料和方法在临床治疗中的应用充满希望。纳米生物传感器因其诸多优势而成为一种有前景的发展方向：其工作范围处于纳米尺度（通常为1-500纳米，即十亿分之一米）。得益于分子生物学的进步以及通过工程和材料科学利用材料的独特纳米特性，纳米技术取得了许多突破性成果（Osuwa和Anusionwu，2011年）。

**关键词**
癌症；纳米生物传感器；微小RNA；生物标志物；诊断；治疗；靶向治疗

**作者列表**
安贾利·拉纳（Anjali Rana）|希瓦姆·拉杰普特（Shivam Rajput）|萨特维克·贝拉戈杜·斯里达尔（Sathvik Belagodu Sridhar）|贾维德·沙里夫（Javedh Shareef）|塔伦·瓦德瓦（Tarun Wadhwa）|阿伦·米塔尔（Arun Mittal）|切坦·瓦希斯特（Chetan Vashist）|里沙巴·马尔维亚（Rishabha Malviya）

**参考文献**
（具体参考文献列表请在原文提供）在治疗肺癌方面，CDDP是首选的化疗药物。研究表明，通过靶向多种基因，let-7c、miRNA-31、miRNA-138、miRNA-182、miRNA-205、miRNA-224、miRNA-106a、miRNA-15b、miRNA-27a、miRNA-513a-3p、miRNA-34a和miRNA-92b等分子可以发挥作用（Liu等人，卵巢癌）。在影响女性生殖系统的癌症中，卵巢癌的死亡率最高。对于晚期卵巢癌，常用的化疗药物包括PTX和CDDP/卡博铂。目前关于CDDP对卵巢癌细胞中miRNA调节机制的研究正处于高峰期。有证据表明，包括let-7、miRNA-9、miRNA-370、miRNA-489、miRNA-130b、miRNA-199b-5p和miRNA-449a在内的几种microRNAs能够降低癌细胞的CDDP耐药性。

基于miRNA的纳米生物传感器的转导方法将目标miRNA的结合转化为可量化的信号，如电流或光强度的变化。这些设备主要依赖于纳米材料，它们通过增强信号、提高灵敏度和扩大探针的表面积来提升性能。主要的转导技术包括：

- **阻抗法**：该方法通过测量电极-电解质接触处的电阻变化来定量目标miRNA的效应。当样本中的目标分析物与传感器表面的生物识别元件结合时，会形成一层绝缘层，阻碍电流的流动，从而改变电阻和电容等电气特性。
- **伏安法**：该方法通过向溶液中的工作电极施加可变电压，并检测由电活性分析物氧化或还原产生的电流来实现化学信号到可量化电流的转化。
- **比色法**：miRNA-21的异常表达被认为是早期癌症诊断的潜在标志物。由于miRNA-21在多种癌组织（包括乳腺、前列腺、胃和肺部）中过度表达，但其浓度较低且家族成员间的序列高度同源性高，导致检测难度较大。因此需要采用信号放大技术来提高检测灵敏度。

为了检测低浓度miRNA，通常使用核酸放大技术，其中利用等温扩增的新方法在床旁检测设备中具有更广泛的适用性。从堪察加蟹的肝胰腺中提取的双链特异性核酸酶（DSN）能够选择性切割双链DNA或DNA-RNA杂合体，而对单链寡核苷酸或双链RNA无作用，从而有助于新型miRNA生物传感器的开发。

此外，已经建立了一种独特的逆转录环介导的等温扩增（LAMP）方法用于miRNA检测。这种方法使用两段茎环探针和传统LAMP反应中的内部引物。LAMP是一种常用于DNA和RNA扩增的等温过程，因其指数级放大特性而具有高灵敏度。RCA（反转录扩增）因其简单性、特异性和增强的灵敏度而在miRNA鉴定中受到重视。

近年来，深度学习模型在预测circRNA与miRNA相互作用方面也取得了进展。许多研究表明circRNA可以吸收miRNA并调控癌症生长。然而，现有的circRNA-miRNA相互作用（CMI）预测模型往往侧重于个别方面和局部分子结构，难以全面反映分子之间的复杂层次关系。为解决这一问题，研究人员开发了一种名为GraCMI的计算机模型。

在统计分析方面，miRNA是一种不编码蛋白质但通过沉默或降解靶mRNA来调控基因表达的微小RNA分子。尽管准确识别和定量miRNA具有挑战性，但已经开发出了多种检测方法，如RNA测序（RNA-Seq）、微阵列和逆转录PCR（RT-qPCR）等。

多功能混合纳米颗粒因其协同效应而被考虑用于生物应用，如医学成像和药物递送。随着纳米医学的快速发展，这些工程纳米颗粒可能会接触人体和环境。纳米技术在生物医学科学和工程领域受到了广泛关注。基于miRNA的纳米生物传感器通过加速癌症诊断显著降低了死亡率，改善了患者预后并挽救了生命。因此，开发高效、非侵入性、快速且成本低廉的癌症诊断技术至关重要。

总之，miRNA的鉴定对于早期癌症检测至关重要。本文概述了几种可用于临床诊断的miRNA检测生物传感器方法。在生物医学诊断领域，对既有效又高效的生物传感器需求日益增长。这些生物传感器通过分析细胞变化实现肿瘤的快速诊断，从而改善预后和治疗效果。目前，miRNA检测主要依赖于各种技术。