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这篇综述聚焦于神经退行性疾病（NDDs），详细阐述了光学生物传感器在其诊断中的应用。文中介绍了多种光学生物传感技术，如比色法、荧光法、表面等离子体共振（SPR）等，并展示了它们对不同 NDDs 生物标志物的检测能力，为疾病早期诊断提供了新方向。
神经退行性疾病概述
神经元作为神经系统的基本结构和功能单位，对大脑功能及认知至关重要。随着年龄增长或受外部因素影响，神经元会逐渐退化，进而影响大脑功能，严重时可导致神经退行性疾病（NDDs）。NDDs 主要特征为特定脑区神经元的逐渐丧失或功能障碍，常伴有认知能力下降、运动功能受损、行为和心理变化等症状，患者独立性也会逐步丧失。
在众多 NDDs 中，阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）最为常见。AD 的发生多源于脑细胞周围淀粉样 β 蛋白（Aβ）和 tau 蛋白的异常积累，最终引发脑萎缩；PD 则与脑干中多巴胺生成减少以及 α - 突触核蛋白的病理性聚集密切相关。这两种疾病还存在一些共同的潜在机制，比如蛋白质错误折叠、线粒体功能障碍和神经系统慢性炎症等。
据统计，2024 年美国约有 700 万 65 岁及以上老人患有 AD，该年龄段人群中约 10% 受其影响。同时，PD 的发病率也在持续上升，美国每年新增病例超 9 万，预计到 2030 年患者数量将达约 120 万。尽管衰老被认为是 NDDs 的主要风险因素，但基因突变（如亨廷顿基因变异导致亨廷顿病）和蛋白质错误折叠（如引发朊病毒病）等也被确定为致病因素。值得注意的是，约 5% 的 AD 病例出现在 65 岁以下人群中，这表明年龄并非导致这些疾病发生的唯一因素。
NDDs 诊断现状
随着生活质量的提升和平均寿命的延长，NDDs 患者数量显著增加，这给公共卫生带来了巨大挑战。例如，约 25% 的人群携带与 AD 风险升高相关的 APOE e4 基因。早期研究发现，在 AD 和 PD 等疾病出现临床症状之前，就已形成淀粉样 β 斑块、tau 蛋白缠结和路易小体，这凸显了早期检测的困难。
目前，临床上常借助正电子发射断层扫描（PET）、光学相干断层扫描（OCT）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等成像技术评估 NDDs，这些技术有助于了解中枢神经系统的结构、功能及退化情况。此外，便携式低场 MRI（LF - MRI）等小型化成像系统也用于 AD 诊断，头戴式多普勒 OCT 等新兴系统在 NDDs 诊断方面展现出一定潜力。然而，由于 NDDs 症状与正常衰老症状存在重叠，且疾病表现具有异质性，临床诊断标准依然复杂。
生物标志物（包括蛋白质和分子标志物）为 NDDs 的早期筛查、风险评估和提高诊断准确性提供了新途径。蛋白质和分子生物标志物在其他疾病的早期诊断中已展现出潜力，例如，微小 RNA（miRNA）生物标志物可区分轻度认知障碍与年龄匹配的对照组，灵敏度达 84 - 94%。其他如长链非编码 RNA 和环状 RNA 等生物标志物也在积极研究中。不过，生物标志物在临床广泛应用仍面临挑战，主要是其与临床结果的相关性不一致，且测量技术、检测方案和诊断阈值缺乏标准化。
光学生物传感器作为一种有前景的解决方案，能够实现生物标志物的实时、无创、灵敏且特异性检测。它通过荧光、表面等离子体共振（SPR）、干涉测量、比色检测以及基于谐振器（如回音壁模式（WGM）传感器）等技术，将生物相互作用转化为光学信号。本文将对这些生物传感器及其相关生物检测技术进行综述，探讨其在 NDDs 诊断中的重要作用。
用于 NDDs 的光学生物传感器及相关技术概述
1956 年，Leland C. Clark 开发出氧电极，随后在 1962 年创造了首个用于葡萄糖检测的真正意义上的生物传感器，生物传感器的概念由此诞生。1975 年，Lubbers 和 Opitz 开发出用于测量二氧化碳或氧气的光纤传感器，并引入了 “光电极” 这一术语。此后，物理学尤其是光学领域的进步为生物传感器的发展开辟了新道路，催生出多种创新型光学生物传感器，包括 SPR、光纤、干涉、荧光和光学谐振器生物传感器等。近年来，材料技术和集成技术的发展进一步提升了光学生物传感器的灵敏度、特异性和实用性，使其在即时检测和人工智能驱动的诊断等领域得以应用，成为疾病检测和监测（特别是 NDDs）的重要工具。
比色法技术
比色分析法利用特定分析物引发的可见颜色变化进行检测，无需复杂仪器。例如，基于金纳米颗粒（AuNP）聚集的检测方法，利用 AuNP 的等离子体特性，当它们与目标分析物或蛋白质相互作用时会发生聚集，导致颜色变化，且颜色变化程度与分析物浓度成正比，该特性已被用于检测与 NDDs 相关的生物标志物。
同样，酶联比色生物测定法（如酶联免疫吸附测定（ELISA））也用于检测 NDD 相关生物标志物。ELISA 依赖抗原 - 抗体相互作用，通过与酶结合的二抗和底物产生与生物分子浓度成比例的可量化颜色变化。虽然 ELISA 本身并非生物传感器，但它是许多光学生物传感技术的基础生物测定方法。
由于比色分析法操作简单、适应性强，已被集成到便携式、低成本且用户友好的平台（如纸基生物传感器）中。这些系统组件简单、分析便捷，为实现可及性高、分散化的 NDD 诊断带来了希望。
荧光生物传感器
荧光生物传感器的原理因传感器和检测方法的不同而有所差异，但它们都依赖于通过检测选择性相互作用（如抗原 - 抗体或配体 - 受体结合）产生的荧光来实现高灵敏度检测。ELISA 是一种常用的基于荧光的生物测定方法，也是一些光学生物传感技术的基础。在 ELISA 中，选择性抗体与固定在包被板上的特定抗原结合。若检测抗体与酶结合，加入合适的化学底物后会引发反应，产生可测量的荧光信号；若抗体直接标记有荧光团，则无需底物反应即可检测荧光。通过量化荧光信号强度，研究人员能够确定样品中目标蛋白质的浓度。ELISA 被广泛视为金标准，在药物疗效研究和疾病检测中应用广泛。
单分子阵列（SIMOA）是一种先进的数字免疫分析技术，与 ELISA 有相似之处，都依靠抗体捕获目标蛋白质并使用荧光作为检测信号。然而，SIMOA 使用的平板上有超过 20 万个微孔，每个微孔都能捕获单个顺磁性微球。在 SIMOA 检测中，顺磁性微球表面包被有特异性抗体，然后与目标蛋白质和酶混合。这些功能化的微球通过油被隔离到单个微孔中，确保每个微孔中统计上只有一个微球。随后加入与酶反应的荧光底物，每个微孔内便会产生荧光信号，通过检测和分析这些荧光信号来量化目标蛋白质。SIMOA 具有极高的灵敏度，能够检测到低至飞摩尔级别的目标浓度，并且支持多重检测，可在一次检测中同时检测多种分析物。
成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）最初是用于细胞中 DNA 序列编辑的技术，在基因治疗和疾病治疗领域有重要应用。近年来，CRISPR 也被应用于生物传感领域，通过基于荧光的检测方法识别和量化目标分子。在这种方法中，将标记有荧光标记的核酸加入到含有样品、CRISPR 相关（Cas）蛋白和特定向导 RNA（gRNA）序列的混合物中。gRNA 引导 Cas 酶识别样品中的目标 DNA 或 RNA，Cas 酶结合后会表现出反式切割活性，切割附近的核酸（包括标记的核酸），从而释放出荧光信号，通过测量该荧光信号可确定样品中目标分子的准确浓度。由于 gRNA 对互补序列具有高度特异性，且 Cas 酶具有信号放大能力，基于 CRISPR 的生物传感器灵敏度极高，能够检测到低至阿托摩尔级别的目标浓度，而且检测时间短，非常适合即时检测应用。
荧光共振能量转移（FRET）是另一种用于测量蛋白质结合相互作用产生的荧光发射的技术。与依赖单个荧光蛋白的方法不同，FRET 使用两个荧光团：供体和受体。当供体和受体距离接近（通常在 1 - 10nm 范围内），常因蛋白质或肽之间的构象变化或结合导致这种情况发生时，会发生从供体到受体的非辐射能量转移，进而受体发出荧光。供体和受体荧光团之间的近距离相互作用使 FRET 生物传感器具有高灵敏度，能够检测低至皮摩尔级别的浓度，同时对目标分析物具有特异性。
用于 NDDs 的无标记光学生物传感技术
SPR 是一种无标记光谱技术，用于实时监测目标分析物（如化学物质或生物配体）与固定在表面的特异性受体之间的分子相互作用。SPR 的原理是利用光在特定角度与半透明金属膜相互作用时，自由电子在金属 - 电介质界面的共振振荡，使光沿金属 - 电介质界面传播。这种耦合仅在特定的共振入射角下发生，且该角度对界面处的局部折射率非常敏感，可通过反射光中的强吸收峰来识别。当目标分析物与固定在金属表面的受体结合时，会改变界面处的折射率，进而使共振耦合到表面等离子体激元的角度发生偏移，从而实现对分子结合事件的实时跟踪。SPR 能够测量低至 0.1 毫度的反射角变化，检测低至0.1pg/mm2的表面结合蛋白密度。
局域表面等离子体共振（LSPR）是与 SPR 相关的技术，同样依赖表面等离子体激发，但它是在金属纳米颗粒上进行，而非连续的金属膜。在 LSPR 中，入射光与尺寸小于光波长的纳米颗粒相互作用，激发局域表面等离子体，即纳米颗粒内电子的相干振荡。这些振荡在特定共振频率下发生，增强了纳米颗粒表面的光吸收和散射，使 LSPR 对局部折射率的变化极为敏感。当分析物与纳米颗粒表面结合时，会改变局部折射率，进而改变局域等离子体的共振峰频率。通过实时监测该频率变化，研究人员可以检测分子结合事件。LSPR 通过观察金纳米颗粒在 DNA 杂交过程中的胶体聚集引起的颜色变化，实现了低至 zeptomolar 浓度的检测限。然而，LSPR 的性能对等离子体纳米棒的尺寸、形状和均匀性变化较为敏感，这可能导致信号重现性不一致。
表面增强拉曼光谱（SERS）是拉曼光谱的一种先进形式，通过放大分子的拉曼散射信号来增强分子检测。在 SERS 中，金属纳米颗粒的 LSPR 被入射光激发，在金属表面附近产生强局部电磁场，该增强场放大了附近分子的拉曼散射信号，尤其是在等离子体 “热点”（如纳米间隙和尖锐边缘）处，显著提高了检测灵敏度。SERS 的增强因子（EF）可通过特定公式计算，该增强作用能将拉曼信号放大104到108倍，使 SERS 能够检测到低至138fg/mL的 AD 蛋白。
回音壁模式（WGM）谐振器生物传感器的概念源于声波在圆形回廊中的传播现象，声波在回廊中传播时能量损失极小。后来这一现象被应用到光学领域，光在闭环谐振器中循环传播，无需端面反射镜，在特定波长下发生共振。为实现有效的光学共振，WGM 谐振器需要使用具有低光学损耗、高热稳定性和机械稳定性且适用于生物传感应用的材料，常见的有玻璃和氮化硅。在 WGM 光学谐振器中，特定波长的共振对结合到谐振器表面的颗粒非常敏感，这些结合事件会改变光程长度，使共振波长发生偏移。最初，这种波长偏移被认为是由热光效应引起的，现在已知是由有效折射率的变化导致的。光通过全内反射（TIR）和相长干涉被限制在谐振器内，当颗粒结合到表面时，会扰动光程长度，导致有效折射率改变，使共振波长通常向长波长方向移动。不同类型的 WGM 谐振器（如环、球、微泡和微环面）都用于生物传感，其中微球、微环和微环面应用最为广泛。微环谐振器因其易于制造和稳定的波导耦合特性，在芯片集成和流体系统中具有优势，但光刻技术的限制使其品质因数（Q 因子）较低，光子限制时间比微球和微环面短，从而影响其灵敏度。尽管存在这一限制，由硅制成的微环谐振器灵敏度可达 73nm/RIU（纳米 / 折射率单位），由氮化硅制成的则可达 179.7nm/RIU。在生物传感应用中，微环谐振器能够检测低至63.54ng/mL的蛋白质和纳摩尔级别的 DNA。与降噪技术结合的环形谐振器能够实现单分子检测，并在一分钟内达到 zeptomolar 的检测限。通常，光通过光纤以消逝波耦合的方式进入这些设备，最近研究表明，光也可以通过自由空间耦合进入并进行传感实验。此外，环形设备能够在水中产生片上频率梳，为构建紧凑的识别和检测平台提供了可能。
光学生物传感技术在 NDDs 检测中的应用
光学生物传感器在 NDDs 检测方面具有灵敏度高和非侵入性分析的优势。以下是其在不同 NDDs 检测中的具体应用情况。
AD 检测
AD 的典型特征是特定脑区中 Aβ 斑块和 tau 蛋白缠结的积累，导致神经元死亡和脑萎缩。因此，Aβ 和 tau 蛋白是 AD 检测的关键生物标志物，在多种生物传感平台中广泛应用。
在比色检测方面，基于金纳米颗粒聚集的检测方法能够在水溶液中检测到浓度低至 0.6nM 的 Aβ1 - 40。此外，基于纸基的 ELISA 比色检测法可在人血浆和缓冲液中分别检测到浓度为 100pg/mL 和 63.04pg/mL 的 Aβ1 - 42。
ELISA 在体外检测生物标志物方面应用广泛。研究表明，AD 患者脑脊液（CSF）中总 tau（t - tau）、苏氨酸 181 位点磷酸化 tau（p - tau181）和 Aβ - 42 的浓度与对照组存在差异，AD 患者 t - tau 和 p - tau181 水平升高，而 Aβ42 水平降低。另一种与神经元损伤相关的生物标志物 Visinin - like protein - 1（VILIP - 1）在 AD 患者中的水平（506 ± 20pg/mL）也高于对照组。ELISA 还能够以 1pg/mL 的灵敏度检测血浆中的 Aβ - 42。尽管 ELISA 在 AD 研究中被广泛用于检测多种生物流体中的生物标志物，但研究人员对其检测低丰度目标的灵敏度和稳定性存在担忧，不过它仍然是生物标志物定量的重要工具。
近年来，基于 CRISPR 的荧光生物检测技术的发展提高了对 AD 生物标志物（尤其是 CSF 中的 Aβ40 和 Aβ42）的检测灵敏度。例如，一项研究开发了一种 CRISPR 辅助适体传感器，结合了适体对 Aβ 生物标志物的高特异性和 CRISPR/Cas12a - 基于荧光的检测方法，在 CSF 样本中对 Aβ40 的检测限（LOD）达到 1pg/mL，对 Aβ42 的检测限为 0.1pg/mL。
SIMOA 平台对检测关键 AD 生物标志物具有高灵敏度，对 Aβ1 - 42 的检测限为 1.51pg/mL，对 Aβ1 - 40 的检测限为 4.08pg/mL，对 p - tau181 的检测限为 0.338pg/mL。此外，神经丝轻链（NfL，一种在血液和 CSF 中均存在的神经元损伤生物标志物）在 SIMOA 平台上的检测限为 1.6pg/mL。
其他方法（如基于 FRET 的传感器）对一系列 AD 生物标志物（包括 Aβ 肽、tau 蛋白、早老素 1（PSEN1）和微小 RNA - 125b（miR - 125b））具有高灵敏度。FRET 能够在脑匀浆中检测到飞摩尔级别的 tau 蛋白，基于 FRET 的均相时间分辨荧光（HTRF）技术对 Aβ42 的检测限为 9pg/mL。FRET 还用于研究与早期 AD 相关的 PSEN1，检测限为 0.517pM，并且能够检测参与学习和记忆的神经递质乙酰胆碱（ACh），检测限为 0.03226nM。FRET 还可用于检测与神经元凋亡和 tau 磷酸化相关的 miR - 125b，在 TRIS - EDTA 缓冲液中的检测限为 416.42pM。
SPR 和 LSPR 生物传感器在 AD 检测中也十分有效。SPR 对 Aβ42 的检测限为 100pg/mL，对 tau44 的检测限为 14fM，对 p - tau181 的检测限为 34fM。与 AD 风险密切相关的遗传因素载脂蛋白 E（ApoE）在 SPR 检测中，在 10fM 至 1pM 的线性范围内
