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本文是关于生物传感器在肺动脉高压（PH）领域应用的综述。文章介绍了 PH 的病理生理机制、相关生物标志物，阐述了各类生物传感器的分类及原理，探讨了其在 PH 中的应用现状、面临的挑战与未来前景，为 PH 的诊疗研究提供了重要参考。
### 肺动脉高压现状与生物传感器的作用
肺动脉高压（PH）是一种严重疾病，以肺动脉压力升高为特征，全球至少 1% 的人口受其影响，发病率逐年上升且死亡率高。由于病因复杂、临床表现缺乏特异性，早期诊断困难，许多患者确诊时已处于疾病晚期，因此寻找新的诊断方法至关重要。
生物传感器作为一种结合生物识别材料与换能器的分析工具，其工作原理基于生物识别元件与目标分子的相互作用。当目标分子与生物识别元件结合时，会引发物理或化学变化，换能器将这些变化转化为电信号或其他可测量信号，经信息处理后得出检测结果。根据结构和工作原理，生物传感器可分为电化学、光学、微流控和无线生物传感器等。近年来，纳米材料的应用显著提升了生物传感器的性能，使其在疾病诊断和监测方面展现出巨大潜力。对于 PH 的早期诊断和实时监测，生物传感器能提供快速、便捷、无创的检测方法，具有重要意义。
肺动脉高压的病理生理机制
PH 具有显著异质性，根据病因和预后可分为五类，包括动脉性肺动脉高压（PAH）、左心疾病相关 PH、肺部疾病或缺氧相关 PH、慢性血栓栓塞性 PH 和其他因素导致的 PH。其关键病理生理变化包括血管重塑、血管周围炎症和微血栓形成。
肺动脉血管重塑
肺动脉血管重塑是 PH 的关键结构变化，涉及内膜、中膜和外膜的改变，常伴有炎症细胞的相互作用。同时，PH 具有遗传特征，基因突变会激活相关信号通路，促进血管重塑。
内膜重塑主要与内皮细胞的异常增殖和功能障碍有关。内皮细胞的异常增殖和迁移是多种机制共同作用的结果，如缺氧、炎症介质的作用以及生长因子的失衡，这会导致丛状病变的形成，与缺氧诱导因子（HIF）、促炎细胞因子和血小板衍生生长因子（PDGF）的表达增加有关。内皮功能障碍则主要与促炎因子水平升高、氧化应激、内皮 - 间充质转化（EndoMT）以及细胞外基质（ECM）的影响有关。在 PH 环境下，促炎因子和活性氧（ROS）的产生增加，会直接损伤内皮细胞，导致其凋亡和功能障碍，同时 ROS 还会损害内皮细胞中一氧化氮（NO）的合成，影响血管舒张功能。此外，内皮细胞发生 EndoMT，转化为平滑肌样细胞，会促进平滑肌细胞的增殖和内皮细胞功能障碍，进一步推动血管重塑。ECM 成分如胶原蛋白、弹性蛋白和纤连蛋白的异常沉积和降解，会增加血管壁的硬度，影响内皮细胞的功能和结构。
中膜主要由平滑肌细胞组成，其增殖和肥大会导致中膜厚度增加，影响肺血管的顺应性和阻力。肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）的过度增殖与多种因素有关，如 HIF、促炎细胞因子和生长因子的增加。在高压条件下，这些细胞会进行代谢重编程以适应缺氧、炎症等细胞内外压力，为细胞增殖提供能量，这与线粒体功能障碍有关。此外，平滑肌细胞的表型转换，从收缩型转变为合成型，会导致 ECM 合成增加，进而引起中膜纤维化。
外膜主要由结缔组织构成，是炎症细胞的信号中心。炎症细胞的浸润以及成纤维细胞的增殖和迁移共同驱动血管重塑过程。促炎因子、黏附分子和趋化因子的释放会促进炎症细胞的聚集，这些炎症细胞又会释放细胞因子，进一步加剧血管重塑。生长因子表达的增加会促进成纤维细胞的增殖，使其分泌各种 ECM 成分，最终导致血管纤维化。
肺动脉血管炎症
PH 常伴有血管周围炎症，多种免疫细胞，如中性粒细胞、巨噬细胞、肥大细胞和 T 淋巴细胞等，会在肺血管周围积聚。这些免疫细胞一方面会产生促炎因子，促进炎症细胞的募集，加剧血管炎症；另一方面，它们还参与血管重塑和内皮功能障碍的过程。
中性粒细胞可通过释放中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）等蛋白酶降解 ECM，或释放生长因子促进平滑肌细胞的增殖和迁移，从而加剧血管重塑。此外，中性粒细胞还能通过形成中性粒细胞胞外陷阱（NETs）或分泌 ROS 和促炎因子直接损伤内皮细胞，加重血管炎症。在 PH 中，巨噬细胞的作用机制与其在局部微环境中的极化状态有关，M1 型巨噬细胞会释放肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）和白细胞介素 - 1β（IL - 1β）等促炎细胞因子，导致内皮损伤和血管平滑肌细胞异常增殖；而 M2 型巨噬细胞则会分泌白细胞介素 - 10（IL - 10）和转化生长因子 - β（TGF - β）等抗炎因子，促进成纤维细胞的增殖和 ECM 的合成，导致肺动脉纤维化。
肥大细胞在 PH 中的作用主要体现在释放多种血管活性物质和蛋白酶，如组胺、白三烯、类胰蛋白酶和糜酶等，这些物质参与肺血管的炎症反应和血管重塑。组胺可直接作用于肺血管平滑肌细胞，引起血管收缩，升高肺动脉压力；白三烯等促炎介质能募集和激活其他炎症细胞；肥大细胞分泌的类胰蛋白酶和糜酶参与肺血管平滑肌的增殖，影响 PH 中肺血管的重塑。在 PH 中，发挥主要作用的 T 细胞包括辅助性 T 细胞（TH）和调节性 T 细胞（Tregs）。TH1 细胞能分泌干扰素 - γ（IFN - γ），促进内皮细胞凋亡，导致内皮功能障碍，影响血管舒张；TH17 细胞能分泌白细胞介素 - 17（IL - 17），诱导多种免疫细胞过度表达和释放促炎细胞因子，同时作用于内皮细胞、上皮细胞和成纤维细胞，促进它们的激活和增殖，有利于血管重塑。此外，部分 PH 患者体内可检测到多种自身抗体，这些自身抗体可能直接损伤肺血管内皮，引发炎症和血管功能障碍，其出现可能与 Tregs 减少导致的自身免疫反应增强有关。
微血栓形成
微血栓形成是 PH 的一个独特病理变化，与炎症增加、内皮细胞损伤、血流动力学改变以及凝血系统激活有关。炎症因子的释放会损伤内皮细胞，激活凝血系统，进而导致微血栓形成。内皮细胞损伤和功能障碍会使血管舒张剂如 NO 的产生减少，而收缩因子如内皮素 - 1（ET - 1）的产生增加，促进血管收缩和血栓形成。在 PH 情况下，肺血管阻力（PVR）增加和血流速度减慢为血栓形成提供了有利条件。凝血系统的激活包括血小板激活和凝血因子增加，血小板活性增加可能与慢性缺氧、内皮细胞损伤和炎症因子的作用有关，激活的血小板释放的颗粒内容物（如二磷酸腺苷（ADP）、血清素、血栓素 A2（TxA2）和 PDGF）能进一步促进血小板聚集。炎症反应、内皮损伤和血管动力学变化都会导致凝血因子增加，尤其是因子 VIII 和纤维蛋白原。
PH 的分子机制涉及多个复杂的通路，主要包括细胞因子、生长因子和转录因子的相互作用，这些共同导致血管重塑、血管周围炎症，甚至可能引发微血栓形成。随着对 PH 分子机制的深入了解，针对其分子机制的生物传感器成为重要的诊断和检测手段，有助于早期诊断和治疗。
适用于生物传感器开发的肺动脉高压生物标志物
在 PH 的临床诊断中，缺乏早期诊断的特异性指标。一些基因，如 BMPR2、ATP13A3、EIF2AK4、KCNK3、ENG 和 KDR 等，与 PH 的发病机制相关，利用 RNA 生物传感器检测这些基因对 PH 的早期诊断具有重要意义。此外，检测与 PH 分类和病理生理机制相关的生物标志物，可辅助诊断、治疗监测和预后预测。目前研究的生物传感器主要检测与这些病理生理机制相关的生物标志物，这些生物标志物根据功能可分为心脏应激标志物、炎症标志物、血管功能障碍标志物、凝血和血小板激活标志物以及组织缺氧和器官损伤标志物。
心脏应激标志物包括利钠肽和心肌肌钙蛋白，可用于 PH 的早期诊断。利钠肽由脑钠肽（BNP）、N 末端脑钠肽前体（NT - proBNP）和心钠肽（ANP）组成，在反映心脏壁应力和损伤方面发挥核心作用；心肌肌钙蛋白，包括心肌肌钙蛋白 T（TnT）和心肌肌钙蛋白 I（TnI），是心脏损伤的标志物，其升高与心脏压力负荷增加有关。炎症标志物主要包括细胞因子和 C 反应蛋白（CRP），它们在 PH 进展过程中升高，如肿瘤坏死因子 - α、干扰素 - γ 和多种白细胞介素，与 CRP 一起在 PH 的发生和发展中起重要作用。
血管功能障碍标志物主要包括 ET - 1、NO 及其代谢产物。ET - 1 与肺血流动力学直接相关，可作为疾病进展的理想标志物；NO 的代谢产物，如不对称二甲基精氨酸（ADMA），能抑制 NO 合酶，与 PH 的预后相关。凝血和血小板激活标志物，包括 D - 二聚体和血管性血友病因子（vWF），在 PH 中升高，主要与疾病预后相关。组织缺氧和器官损伤标志物，如动脉血二氧化碳分压（PaCO2）、血清尿酸（UA）、血尿素氮（BUN）和胱抑素 C（CysC），对 PH 患者具有预后价值。根据 PH 的分类和发病机制，利用生物传感器检测合适的生物标志物，可更准确地诊断 PH、监测治疗效果和预测预后，实现个性化治疗。例如，D - 二聚体适用于血栓栓塞性 PH，可用于排除肺栓塞；肌钙蛋白可用于评估左心疾病相关 PH 导致的左心功能障碍程度。
生物标志物是生物传感器检测的目标，生物传感器是检测生物标志物的工具，两者的结合为疾病诊断、治疗监测和预后评估提供了有力支持。目前用于 PH 的生物传感器可根据工作原理和结构进行分类，按不同工作原理可分为电化学和光学生物传感器，按结构可包括微流控和无线生物传感器。随着纳米技术的发展，纳米生物传感器能为检测 PH 提供更快速、准确和灵敏的方法，有利于实现早期诊断和个性化治疗。
生物传感器的分类与原理
生物传感器是一种特殊的化学传感器，其核心技术是利用生物成分的特异性识别能力来检测目标物质。传感器系统主要由两个关键部分组成：生物识别元件和信号换能器。生物识别元件作为化学敏感层，负责捕获目标分析物；信号换能器则将特异性识别引发的生化反应转化为可量化的物理信号，如电信号或光信号。根据检测原理的差异，生物传感器主要分为电化学和光学生物传感器。
电化学和光学生物传感器与不同的传感技术集成后，可包括微流控生物传感器、无线可穿戴生物传感器和纳米生物传感器。通过多模态传感技术的深度集成和协同分析，能够实现对多种生物标志物的同时检测，推动医学诊断从单生物标志物分析向系统的精准医学模式转变。
电化学生物传感器
电化学生物传感器将生物识别元件（如酶、抗体、核酸）与电化学导电元件相结合，用于检测和分析化学物质。其工作原理可概括为以下步骤：生物识别、信号转导、电化学传导、信号检测和数据分析。生物识别元件（生物受体）与目标分析物（分子或离子）特异性相互作用，例如酶与底物的结合、抗体与抗原的结合以及核酸与互补链的结合。这种生物识别事件会导致生物受体的化学或物理状态发生变化，如酶促催化反应、抗原 - 抗体复合物的形成。这些变化可通过电化学导电元件转化为可测量的电信号。电化学导电元件（如电极）检测与生物识别事件相关的电信号变化，这些变化可能包括电流、电位、电导或电荷的改变。电信号通常会被放大、检测并由电化学仪器记录，用于定量分析。通过分析电信号的变化，可确定目标分析物的存在和浓度。
电化学生物传感器常见的电化学传导模式包括安培法、电位法、场效应晶体管（FET）法和阻抗法。安培法通过在恒定电位下测量流经工作电极的电流来检测电活性分析物的氧化或还原，电流大小与分析物浓度成正比；电位法通过测量两个电极之间的电位差来检测离子浓度，通常使用离子选择性电极（ISEs），电位变化与离子浓度的对数成正比，遵循能斯特方程；FET 法利用 FET 的栅极电压变化来检测离子浓度，如离子敏感场效应晶体管（ISFETs）；阻抗法，也称为电导传感器，通过测量电极之间交流信号的阻抗变化来检测生物识别事件对电极表面电荷转移的影响。电化学生物传感器的设计和应用取决于选择合适的生物识别元件和电化学传导模式，以实现对特定分析物的高灵敏度和高选择性检测。
光学生物传感器
光学生物传感器是将生物识别单元与光信号转导单元相结合的传感器，能够检测各种生物分子，如 DNA、RNA、蛋白质、糖类和其他化学物质。根据检测方法和原理的不同，光学生物传感器可分为基于表面等离子体共振（SPR）的生物传感器、基于局域表面等离子体共振（LSPR）的生物传感器、基于光波导的生物传感器、基于光谐振器的生物传感器、基于光子晶体（PC）的生物传感器和基于光纤的生物传感器。
SPR 生物传感器基于金属表面（如金或银）自由电子密度的振荡与入射光波的相互作用产生 SPR 现象。入射光角度或偏振的变化会改变共振条件，从而改变反射光的强度或相位，这些变化与样品折射率的变化相关，可用于检测生物分子的结合事件。LSPR 生物传感器基于金属纳米颗粒（如金或银纳米颗粒）的局域 SPR 现象，当入射光的频率与金属纳米颗粒中自由电子的集体振荡频率匹配时，会发生强烈的光吸收，导致局域 SPR，这种共振现象可用于检测生物分子的结合和相互作用。
基于光波导的生物传感器通过检测生物分子与光波导表面相互作用引起的光波导模式变化，如光强度、相位和波长的变化，来识别和定量分析生物分子。倏逝波是在光纤表面附近呈指数衰减的电磁场，当光在光纤中传播时会产生倏逝波，它与周围介质相互作用，通过检测这些变化可获得生物分子的信息。基于光谐振器的生物传感器利用光谐振现象，高度灵敏地检测生物分子相互作用引起的折射率变化，如基于法布里 - 珀罗干涉仪（FPI）的生物传感器，通过监测生物分子结合引起的干涉图案变化，利用谐振腔的光学特性高度灵敏地检测生物分子相互作用。
基于 PC 的生物传感器利用 PC 对特定波长光的带隙特性，当生物分子结合到 PC 表面时，会改变其折射率，从而改变 PC 的带隙结构，通过监测这些变化可检测生物分子的结合事件。光纤生物传感器的原理是利用光纤作为光信号传输和调制的介质，在光通过光纤传播时，检测生物分子相互作用引起的光学特性变化，实现生物检测。
其他特殊生物传感器
微流控生物传感器的工作原理基于微流控技术，即在微米尺度的通道中操纵和传输极小体积的流体。微流控生物传感器主要由微流控通道、生物传感器元件、读出系统和流体控制系统组成，可与电化学、光学等其他技术集成，实现更复杂的检测功能。与其他生物传感器相比，微流控生物传感器具有小型化的特点，能够在极小体积内进行检测，减少样品和试剂的消耗；短通道和快速混合能力缩短了反应时间，实现快速检测；微流控装置能够精确控制反应条件，如温度和 pH，精确控制流体流动，有助于提高对特定分析物的选择性；微流控通道的高表面积与体积比增强了生物传感器的灵敏度；它还能集成多种功能，如样品预处理、反应、分离和检测，实现自动化和一体化。由于样品和试剂消耗低，且集成化减少了对额外设备的需求，微流控生物传感器更具成本效益。此外，微流控装置可根据检测需求设计成各种形状和功能，与纳米材料和智能系统相结合，如纸基装置。
无线可穿戴生物传感器通过无线传感技术分析人体生物流体（如眼泪、唾液、汗液和间质液）中的化学成分，以监测健康状况。这些生物流体中含有多种可反映健康状况和生理变化的生物标志物。传感器将生物标志物的化学或生物信号转化为可测量信号，光学传感器利用生物标志物的光学特性（如颜色、荧光或吸光度）进行检测，具有良好的选择性，适用于检测复杂样品中的目标物种；电化学传感器基于电化学原理（如电位、电流或电导的变化）检测生物标志物，适用于非复杂基质中分析物的痕量分析，具有响应快速、操作简便的优点。无线传感器集成了无线通信模块，能够实时传输监测数据，使收集到的信息可与移动终端设备同步，以便进行后续处理和分析操作，它们可能使用射频识别（RFID）、蓝牙或近场通信（NFC）等技术进行数据传输。许多无线可穿戴生物传感器利用能量收集技术，如压电、热电或摩擦电纳米发电机，将机械、热或光能转化为电能为传感器供电。这些原理共同作用，使无线可穿戴生物传感器能够在不进行侵入性操作的情况下，实时、连续地监测生理和生化参数，为个人健康监测和疾病诊断提供支持。
纳米生物传感器利用纳米材料（如纳米颗粒和量子点）能够增强传感器的信号响应，并实现与生物分子更有效的结合。纳米生物传感器是将生物识别元件与纳米级信号转导组件相结合，用于检测生物分子或化学物质的装置，它能够将生物分子的识别事件转化为可测量的信号，如电信号和光信号。电化学纳米生物传感器使用纳米材料（如纳米颗粒、纳米管、纳米线）增强<
