基于非编码 RNA 的肝癌早期检测生物传感器
原发性肝癌是一种侵袭性、致命性的恶性肿瘤，预计将成为全球第六大高发癌症，也是全球第四大癌症死亡原因，预计有841000个新增病例和782000个死亡病例。其5年死亡率预计超过95%。这种显著的低存活率是由于诊断不良，即缺乏足够的早期检测方法。
常规的肝肿瘤诊断检查工具有 X光、计算机断层成像扫描(CT)、超声检查(US)、磁共振成像(MRI)和活检。这些方法有一些局限性，例如费用昂贵，依赖于操作者，灵敏度低，以及需要造影剂辅助成像，这在大多数情况下都伴随着各种副作用。因此，迫切需要开发灵敏性和特异性高、成本相对较低和简便的肝癌早期诊断分析技术。
RNA 分为两类: 编码RNA (cRNAs)和非编码 RNA (ncRNAs)。尽管 ncRNAs 不参与编码蛋白质，但它们被认为是一类新的、独特的癌症标志物，能发挥调节细胞功能的作用。ncRNAs在血浆和血清的临床样本中具有特殊的稳定性，这使它们迅速成为癌症及其他疾病的新型生物标志物。到目前为止，行业内已经研发了许多不同的检测 ncRNAs的方法, 基于电化学、光学和机电的生物传感器已被广泛用于肝癌相关的ncRNAs检测，以在早期阶段诊断癌症。近日，发表在《生物医学》杂志上的一篇名为“Non-Coding RNA-Based Biosensors for Early Detection of Liver Cancer”的综述盘点了针对肝癌相关ncRNAs检测的生物传感器的研究进展。
肝癌相关 ncRNAs 检测的生物传感器
DNA纳米技术研究已经在生物医学、癌症研究、诊断，特别是生物传感方面显示出了显著的影响。它为新型 ncRNAs 生物传感器的研制提供了一个通用的、有前途的平台。.关于 ncRNAs 在癌症和疾病早期检测中的关键作用，已经开发和审查了几种基于DNA的生物传感工具。这些研究关注在临床实践中应用检测策略的可能性、设计分析原发性肝癌相关miRNA的医疗设备、以及同时分析多个原发性肝癌相关miRNA或多组样本，以实现对原发性肝癌的准确和快速诊断。截至目前，用于检测癌症相关生物标志物的、最广泛的基于DNA的生物传感器根据生物反应的类型分为电化学、光学和机电（质量、表面应力、共振）传感器。文中对这些传感器的原理及最新进展做了介绍。
电化学生物传感器
在各种基于DNA的生物传感器中，电化学生物传感器以其简单、快速、低成本和微型化的可能性为生物标志物检测提供了极好的前景，电化学DNA生物传感器的工作原理如图一：
图一. 电化学DNA生物传感器的工作原理
Lusi等人首次提出了一种用于miRNA-122检测的无标记电化学生物传感器，具有高特异性，检测限（LOD）为0.1 pM。检测原理是基于miRNA与其固定在丝网印刷电极（SPE）表面的肌苷替代物捕获探针之间形成的鸟嘌呤氧化而产生的。Kilic等人设计了一种基于G修饰的石墨电极（PGEs）的简单的、可重复的生物传感器，用于检测从HUH-7细胞系原发性肝癌分离的RNA样品中的miRNA-122，而不需要任何预浓缩或净化。
除了miRNA-122，miRNA-let 7a在组装电化学生物传感器中作为肝癌的潜在生物标志物也受到了很多关注。Zhang等人提出了一种新型的等温电化学生物传感器，用于敏感检测miRNA-221，而不使用纳米材料。
表一.为检测肝癌相关的ncRNAs而开发的各种电化学生物传感器的规格和LODs
光学生物传感器
光学生物传感技术是一类新型的检测方法，在双分子分析领域，特别是在肿瘤诊断和治疗以及药物发现技术方面受到越来越多的关注。
图二、 基于光学的DNA生物传感器传感方法的示意图
已有多种光学生物传感器已被用于检测ncRNAs。其中，SPR生物传感器已被证明对ncRNAs的直接感应是非常有效的。Sipova等人利用便携式SPR传感器技术和基于DNA/RNA抗体的检测方法，设计了一种快速和无标记的miRNA-122的检测，可以在30分钟内检测浓度低至2 pM的miRNA，只需引入一个能识别并结合到DNA/RNA杂交体的抗体。
为了同时提高诊断的灵敏度和特异性，Yu等人通过将抗AFP抗体和DNA探针固定在SPR传感器的表面，开发了一种多标记物的SPR传感器，用于识别AFP和miRNA-125b作为原发性肝癌的联合标记物。
电化学发光（ECL）由于具有低背景、高灵敏度和用户友好的特点，作为一种有前途的工具，在各种生物样品的检测中受到广泛关注。Li等人提出了一种超灵敏的方法，提议用一种以电沉积金属纳米粒子为基质的超灵敏三明治型ECL传感器Au@Ag/GQDs作为信号指示器。另一方面，核壳型纳米粒子与单个金或银纳米粒子相比，具有较大的比表面积、更好的催化作用和更佳的电子传输能力
机电式生物传感器
机电生物传感器的基本原理是感应质量变化。机电生物传感器是无标记的，高度敏感的，并提供非侵入性的疾病筛查、基因测试和诊断。与光学和电化学生物传感器相比，机电生物传感器对微小的质量变化高度敏感，也能够检测不具备导电性能或光学信号的分子。主要的传感平台有悬臂、石英晶体微天平（QCM）和表面声波（SAW）。
过去几年中，基于悬臂的生物传感器已被证明是在癌症早期诊断中实际应用的最具吸引力的候选者。Duffy等人报告了一种基于悬臂的自动生物传感器，用于肝癌诊断的非侵入性、快速和个性化的miRNA检测，如图三。
图三：悬臂阵列表面目标结合的图解，视角来自流体室内部。
声纳传感平台是基于QCM的生物测定的替代设备，具有更高的灵敏度和更高的工作频率。基于声表面波的生物传感器可以检测声波的变化，这些声波在质量加载过程中在压电基底的表面传播。由于它们的频率范围从几百兆赫到千兆赫，它们可以记录由于特别小的质量负荷而产生的明显的小频率偏移。到目前为止还没有基于声波的生物传感器被报道用于诊断肝癌相关的miRNA生物标志物。
总结
用无创或微创方法准确测定特定的肿瘤生物标志物，是提高肝癌患者长期生存率、降低该疾病高发病率和死亡率的最有希望的方法。在用于原发性肝癌诊断的不同类型的生物标志物中，ncRNAs被认为是一类新的和独特的癌症生物标志物，用于肝癌的早期检测。在某些情况下，几个ncRNAs的组合可以帮助克服其他原发性肝癌生物标志物（如AFP）的敏感性低和选择性差等局限。
因为ncRNAs在癌症和相关疾病的早期检测中的关键作用，基于DNA的生物传感器为ncRNAs的检测提供了一个有前途的平台，具有简单、可靠、高灵敏度和选择性的优势。在用于检测ncRNAs的各种基于DNA的生物传感器中，人们在开发电化学生物传感器方面付出了很多努力。然而，关于开发生物传感平台以检测ncRNAs作为癌症、特别是原发性肝癌的早期生物标志物的研究依旧不多。因此，将纳米材料整合到生物传感系统中进行多生物标记物检测，或许能提供一种早期快速诊断方法，并提供制造一次性医疗设备的机会