综述：侧向流动检测技术在医学诊断中的应用：从设计原理、材料选择到未来展望

《Microchemical Journal》：Lateral flow assays towards medical diagnosis: from design principles, material selection, and future perspectives

　　

马梦瑶 | 陈宇 | 张灿 | 田静 | 王成全 | 顾尊才

江苏省大学化学与化学工程学院，镇江市212013，中国

摘要

疾病因素包括多种对疾病发生和发展有贡献的元素，涵盖了生物、化学、物理和环境因素。其中，生物因素最为普遍和重要，主要包括生物标志物和病原体。生物标志物能够全面反映疾病状况，是诊断传染病和预测其预后的重要工具。病原体（如细菌、病毒、真菌和寄生虫）在感染时可引发疾病。早期检测疾病对于控制疾病传播和制定有效的公共卫生干预措施至关重要，特别是考虑到某些疾病可能引发严重的公共卫生危机甚至导致大规模死亡。侧向流动测定（LFA）作为一种简单、一次性且成本效益高的诊断平台，已广泛应用于血液和尿液等样本中疾病因素的快速检测。本文首先系统阐述了现有LFA技术的设计原理和工作机制，并详细分析了其在即时检测（POCT）中的应用特点。随后全面回顾了基于该技术的生物标志物和病原体检测策略，涵盖了各种标记技术和信号放大方法的应用。特别是，文章总结了LFA中用于疾病检测的两种主要识别机制：抗体-抗原识别和适配体-靶标识别，并评估了各自的优缺点。最后，本文深入探讨了LFA诊断技术的未来发展趋势，包括新型纳米材料的开发、多重检测系统的构建、智能读取设备的集成以及该技术在初级医疗和现场快速检测中的应用前景，旨在为相关领域的研究提供参考。

引言

生物标志物是可识别的标志，有助于我们客观评估正常的生理活动、与疾病相关的病理变化以及身体对治疗措施的响应[1]。它们广泛存在于血液、尿液和组织等生物样本中，涵盖多种分子类型。例如，前列腺特异性抗原（PSA）可用于前列腺癌的筛查[2]；乳腺癌（BRCA）易感基因突变与乳腺癌风险相关；循环肿瘤细胞（CTC）可用于癌症的早期检测和监测[3]；生物标志物具有特异性、灵敏度、可重复性且易于检测。病原体是能够破坏正常生理功能的微生物或生物制剂，它们可以感染宿主，干扰其正常生理功能并使其生病。病原体种类繁多，致病方式也各不相同[4]。了解这些疾病的特征及其传播方式对于预防和控制传染病至关重要。

随着人口增长和技术进步，疾病变得更加多样和复杂，但死亡率仍在上升[5]。传统的疾病检测技术包括血液、尿液和粪便分析以及各种X射线扫描[6][7]。然而，这些方法往往耗时较长、成本较高，需要先进的分析设备，并且需要专业人员进行操作。因此，具有成本效益的诊断方法在各种疾病的监测和识别中起着关键作用。即时检测（POCT）使用方便、操作简单，具有显著的经济和社会效益[8][9][10]，在医学诊断领域做出了重要贡献。POCT的快速结果可以提高临床决策效率。侧向流动测定（LFA）是POCT的基石，是一种生物分析检测方法[11]。LFA已广泛应用于核酸[12][13][14]、蛋白质[15][16][17]和传染性病毒[19][20][21]等分析物的检测。LFA平台被认为是快速准确地诊断多种病毒性传染病的最佳选择，因为它不需要预先知识，因此是一种便捷的POCT诊断技术。

LFA方法包含两个关键要素：识别探针和检测探针[22]。识别探针是检测系统的核心组成部分，其表面修饰有生物识别分子（如抗体[23][24]、核酸适配体[25][26][27][28][29]或酶），能够特异性结合目标分子（如病毒蛋白[30]、细菌或激素[31]）。这种结合事件会导致“探针-靶标”复合物的形成。主要有两种识别方式：一种是抗体[32][33][34][35]对目的物的识别，另一种是适配体[36]对靶标的识别。典型的信号探针包括金纳米颗粒（AuNPs）[37][38]、量子点（QDs）[39][40]、磁性纳米颗粒和乳胶微球。检测探针负责特定靶标的识别和信号生成，在硝酸纤维素（NC）膜上形成测试线（TL）和对照线（CL），产生的信号可以通过视觉或仪器检测到（图1A）[41]。虽然在大多数研究中使用抗体作为识别元素[42][43]，但也有一些关于使用噬菌体、凝集素和核酸适配体的报道[44][45][46]。其中，噬菌体可以特异性识别不同细菌菌株上的受体，因为它们的表面可以编码多种受体结合蛋白[47]；它们的识别机制主要依赖于尾部丝状物或尾部刺突蛋白与细菌表面特定受体的特异性分子间结合，这也是噬菌体感染宿主细菌的核心步骤。凝集素在通过识别细胞表面糖蛋白或糖脂上的碳水化合物抗原来显示癌症诊断和治疗的潜在应用价值[48]。适配体是一类通过体外筛选获得的单链寡核苷酸或肽，能够以高亲和力和特异性结合目标分子。总体而言，抗体和适配体仍是LFA平台上最常用的两种识别分子类型。LFA检测有两种结果：阴性结果和阳性结果。在测试结果中，通常会出现两种不同的模式：阴性结果仅显示对照线（CL）变红，而测试线（TL）保持无色；阳性结果则显示CL和TL都变红；在另一种模式下，阴性结果时CL和TL都变红；而在阳性结果中，随着目标物质浓度的增加，TL的红色会逐渐褪去（图1B）。

本文首先介绍了LFA的基底结构和设计原理，包括LFA的四个关键组成部分、制造过程以及每个组件的功能和操作机制。然后列举了三种LFA检测方法：双抗体夹心法和竞争抑制法（均如图2所示），以及间接法。文章还列出了LFA在医学诊断中的应用及其局限性，如检测肿瘤标志物、呼吸系统疾病、食源性疾病和其他疾病因素。最后，总结了现有LFA技术的优势和不足，并指出了该技术的未来发展方向。展望未来，新的多功能材料可以被开发出来，侧向流动色谱法可以与各种设备集成，使过程更加用户友好和成本效益更高，以满足日常生活的需求（图1C）。

部分摘要

LFA的基底结构和设计原理

LFA设备的标准结构由多种材料构成的多个功能区组成。商用LFA通常包含四个关键组成部分：样品垫、结合垫、硝酸纤维素膜和吸水垫[49]。侧向流动测定的制造过程按以下顺序进行[50]：（1）准备针对目标分析物的特异性抗原或抗体或合适的适配体；（2）准备并充分施加试剂

肿瘤标志物的检测

肿瘤标志物是由肿瘤细胞本身或机体对肿瘤生长产生的细胞产生的物质。它们存在于血液、体液、组织或细胞中，常用于辅助肿瘤诊断、确定肿瘤特征、评估治疗效果和监测肿瘤复发。及时检测肿瘤标志物和早期诊断疾病可以显著提高生存率。

癌胚抗原（CEA）是一种糖蛋白

结论与未来展望

乳腺癌、肺腺癌、肝癌和胃癌等癌症的死亡率非常高，大多数患者在确诊时已经处于晚期。此外，许多导致这些疾病的因素是RNA病毒，这些病毒的突变率很高，使得难以开发出有效的治疗方法和疫苗策略。因此，迫切需要快速开发并验证能够

CRediT作者贡献声明

马梦瑶：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，正式分析。陈宇：撰写 – 原始草稿，正式分析。张灿：撰写 – 审稿与编辑。田静：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。王成全：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。顾尊才：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

我们感谢南通大学临床医学专项研究基金（编号2024JZ048）、镇江市科技计划项目（编号NY2024021）和江苏省大学基金（编号19JDG025）的支持。