《Microchemical Journal》：CRISPR/cas systems and biosensors in cancer: From genome editing to point-of-care diagnosis
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CRISPR/Cas系統與生物傳感技術融合推動癌癥精準診療發展，涵蓋早期診斷標志物檢測、基因編輯治療及系統穩定性優化，強調多模態檢測與臨床轉化挑戰。
貝爾格扎爾·卡拉達格（Belgüzar Karada?）| 奇格爾·比拉伊·阿夫賈（????r Biray Avc?）
土耳其伊茲密爾博爾諾瓦（Bornova）埃蓋大學（Ege University）理學院生物化學系，郵編35040
摘要
由規律間隔短回文重復序列（CRISPR）/Cas系統實現的核酸程序化識別和操控對當代癌癥研究和診斷技術產生了重大影響。與此同時，生物傳感器技術也發展成了高度敏感、緊湊的平臺，可用于即時檢測（POC）場景。本文探討了CRISPR/Cas系統與生物傳感器在腫瘤學中的關系，涵蓋了生物標志物檢測技術和基因組編輯治療方面。我們描述了Cas9、Cas12和Cas13的基本特征和機制，這些機制支持生物傳感信號的產生以及治療性編輯。目前正利用基于CRISPR的生物傳感器（如電化學、光學和熒光設備）來檢測循環腫瘤DNA（ctDNA）、微小RNA（miRNA）、外泌體和蛋白質生物標志物。我們還概述了針對免疫檢查點、癌基因和DNA修復途徑的臨床前研究進展。最后，我們批判性地分析了一些持續存在的問題，如樣本基質干擾、脫靶效應、信號放大變異性、系統穩定性以及實際應用于POC的障礙。本文旨在通過總結共同的設計概念、局限性和潛在路徑，為下一代CRISPR/生物傳感器平臺的開發提供指導，以用于癌癥診斷和治療。
引言
單個細胞或細胞群體中的分子改變會導致癌癥，這是一種高度復雜的遺傳和表觀遺傳疾病，在組織、腫瘤和細胞層面表現出顯著的異質性[1]。近年來，基因治療和免疫治療在癌癥治療中的重要性日益凸顯。特別是癌癥免疫治療旨在刺激患者的免疫系統，使其能夠精準識別癌細胞。由于某些血液系統惡性腫瘤的免疫抑制特性，人們開始研究抗腫瘤疫苗和單克隆抗體等方法[2]。癌癥進展的特點是遺傳和表觀遺傳變化的持續積累、基因組的持續不穩定以及腫瘤微環境中各種細胞類型之間的復雜相互作用。這些信號網絡形成了促進惡性生長的保護性環境，并限制了傳統療法的效果，這凸顯了需要更精確和有效的治療方式的迫切性[3]。這種生物學復雜性強調了需要具有高分子特異性和適應性的技術。
靈敏的分子識別和可編程的基因操控技術正變得越來越流行。由于其精確的基因編輯能力，規律間隔短回文重復序列（CRISPR）/Cas系統正在改變癌癥治療方式。這些特點與它們的靈活性、簡單性和高效性密切相關。為了阻止腫瘤擴散，CRISPR系統還針對癌基因以及與免疫和腫瘤生長相關的基因。如果能夠開發出高度可靠的遞送系統，預計其在癌癥治療中的有效應用將會增加。必須解決諸如載體封裝、克服物理和細胞內障礙以及確保在目標部位充分積累等問題。開發先進的遞送方法對于充分發揮CRISPR/Cas系統在癌癥治療中的潛力至關重要[4]。除了治療潛力外，這些分子特性還使CRISPR/Cas系統成為分析和診斷技術的有吸引力的組成部分。
除了治療性基因組編輯之外，基于CRISPR的策略還擴展到了癌癥篩查、診斷和功能基因組學領域。最近的研究表明，通過非病毒納米載體遞送CRISPR可用于質粒DNA、RNA和核糖核蛋白復合物。涉及目標基因選擇、單引導RNA（sgRNA）設計和遞送方法的優化策略進一步提高了效率[5],[6],[7]。基于CRISPR的篩查平臺廣泛用于體外和體內實驗，以識別腫瘤生長和免疫逃逸的調控因子[8]。同時，基于CRISPR的生物傳感器因其在早期癌癥檢測中的高靈敏度和特異性而受到關注[9]。然而，盡管這些治療和診斷應用依賴于共同的分子原理，但它們往往被單獨討論。
盡管取得了這些進展，文獻中經常將基因組編輯和基于生物傳感器的CRISPR應用分開討論，這阻礙了對它們綜合分析和轉化潛力的全面理解。本文重點關注癌癥篩查、診斷和治療方法，整合了這些發展，強調了通過生物傳感器實現早期檢測、精準診斷和轉化治療的綜合架構，與大多數分別研究這些應用的研究不同。生物傳感器提供了分子識別與可在臨床環境中使用的信號之間的關鍵聯系。
生物傳感器將生物識別元件與換能器結合在一起，將生化事件轉化為可測量的信號。它們提供快速、實時且高度準確的輸出，使其在現代診斷中至關重要[10]。生物傳感器廣泛應用于健康診斷、癌癥檢測、藥物遞送、環境監測以及食品安全和水質監測，對精準醫療越來越重要[11]。這種將分子相互作用轉化為可測量信號的能力可以有效補充基于CRISPR的程序化識別系統。
數字健康監測的興起進一步增強了疾病檢測能力。便攜式平臺（包括可穿戴設備和皮膚粘附設備）與智能手機和其他數字系統集成在一起。這些技術使得生物標志物的及時識別和定量分析成為可能，將傳統醫療轉變為可訪問、實時和預防性的解決方案[12],[13],[14],[15]。仔細考慮這些因素可能有助于提高臨床應用中的穩健性、可重復性和可靠性。然而，將CRISPR/Cas系統整合到生物傳感器平臺中引入了額外的分析和工程挑戰，需要對其進行批判性評估。盡管取得了進展，但在生物傳感器平臺中實施CRISPR/Cas系統仍存在信號穩定性、脫靶效應和可擴展性等挑戰。本文重點介紹了基于CRISPR的方法在癌癥篩查、診斷和治療方面的應用，提供了關于早期檢測、精準診斷和轉化治療途徑的全面概述。
首先概述基于CRISPR的基因組編輯和生物傳感器技術的基本原理，然后對癌癥診斷和治療的最新進展進行批判性分析，最后總結了當前的限制和未來向臨床可轉化的CRISPR驅動生物傳感器系統發展的挑戰。
部分摘錄
生物傳感器系統及其應用領域
由于對靈敏、選擇性和治療轉化性分析平臺的需求不斷增加，生物傳感器技術在過去幾十年中迅速發展。盡管方法存在很大差異，但許多生物傳感器系統在分析穩健性、可重復性和實際可用性方面仍存在問題。
生物傳感器是一種分析工具，它結合了物理化學換能器和生物識別元件，用于定量檢測目標分析物。
CRISPR的分類和類型
CRISPR系統是許多現代基因組編輯和生物傳感技術的分子基礎。因此，了解它們的分類和機制多樣性對于評估其在癌癥診斷和治療應用中的適用性至關重要。
細菌和古菌利用CRISPR系統作為適應性免疫機制，以抵御噬菌體、質粒和其他移動遺傳元件等入侵遺傳因子[33]。CRISPR/Cas
CRISPR/cas基因組編輯機制及其在癌癥中的治療應用
基因組編輯工具在哺乳動物細胞中的出現，特別是CRISPR/Cas9系統，使得能夠系統地研究眾多基因組位點，評估它們對基因表達和細胞表型的影響[38]。該系統能夠精確且可編程地修改基因組DNA。重要的是，這些修改是位點特異性的，并適用于不同的生物體和細胞環境。因此，CRISPR已成為現代基因組學的核心平臺
用于癌癥診斷的CRISPR增強型生物傳感器
基于CRISPR的生物傳感器作為一種變革性技術，在個性化醫療和早期診斷中發揮著重要作用，因為它們能夠將分子識別事件轉化為高度敏感且具有臨床意義的信號。它們的優勢在于高序列特異性、快速檢測動力學、操作簡便性和等溫信號放大，這些特點共同解決了傳統診斷平臺的關鍵局限性。挑戰、評論和未來方向
CRISPR診斷方法具有獨特的檢測核酸和其他生物標志物的能力，適用于包括癌癥、遺傳疾病和傳染病在內的廣泛領域。此外，它作為一種變革性技術，提供了速度、靈敏度和多功能性。特別是在成本效益、便攜性和可視化讀數潛力方面，使其成為即時檢測和分散式測試的理想候選者
結論
2020年諾貝爾化學獎授予埃馬紐埃爾·夏彭蒂埃（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·A·杜德納（Jennifer A. Doudna），以表彰她們開發出CRISPR/Cas9基因組編輯系統，這標志著分子生物學的一個轉折點，促進了包括癌癥在內的生物醫學領域的廣泛研究。從那時起，CRISPR/Cas平臺越來越多地被研究其在治療性基因組編輯和診斷應用中的潛力。
在腫瘤學中，CRISPR/Cas系統與
CRediT作者貢獻聲明
貝爾格扎爾·卡拉達格（Belgüzar Karada?）：撰寫——綜述與編輯、初稿撰寫、可視化、方法學設計、概念化、驗證。奇格爾·比拉伊·阿夫賈（????r Biray Avc?）：撰寫——綜述與編輯、驗證、方法學設計、概念化、監督、初稿撰寫。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
B. 卡拉達格（B. Karadag）感謝TUBITAK-BIDEB在她攻讀博士學位期間提供的支持，該支持來自2211-A國內博士獎學金計劃。
