Critical Reviews in Food Science and Nutrition：基于哺乳动物细胞的生物传感器在食源性病原体和毒素检测中的研究进展

由病原体和毒素引起的食源性疾病对食品安全和人类健康构成严重威胁；因此，它们是社会关注的主要问题。现有的传统食源性病原体或毒素检测方法，包括微生物分析、核酸分析、免疫分析和仪器分析方法，都是耗时、劳动密集型和昂贵的。由于其快速响应和高灵敏度，基于细胞的生物传感器是食品安全风险评估和监测的很有前途的新工具。本文综述了基于哺乳动物细胞的生物传感器的特性及其在食源性病原体（细菌和病毒）和毒素（细菌毒素、真菌毒素和海洋毒素）检测中的应用。我们讨论了哺乳动物细胞粘附，以及它如何参与建立基于哺乳动物细胞的生物传感器的三维细胞培养模型，并评估其商业化的局限性和进一步的发展前景。

1、基于哺乳动物细胞的生物传感器（CBBs）

基于细胞的生物传感器（CBBs）将固定或不固定的活细胞与电极或其他传感器结合起来，其中活细胞作为感觉元件，以收集有关生物活性分析物的信息，在整体表现方面，CBB在许多性状上与其他类型有所区别，如表1所示。

基于哺乳动物细胞的生物传感器结合了哺乳动物细胞介导的生物识别系统和信号转导元件。当活细胞受到分析物的刺激时，生理参数（如细胞代谢、阻抗和动作电位）或生物反应的变化被传感器直接转换为可量化和可处理的信号，从而实现检测和分析的目的。哺乳动物的CBB根据细胞类型、二级传感器功能和调节机制，可大致分为不同的类型，如表2所示。

与普通光学显微镜和荧光标记观察等传统方法相比，CBB的阻抗测试简化了对细胞形态的研究，并且相对更容易获得实时监测结果。然而，使用活细胞作为主要元素有一些固有的缺点，包括其固定、培养和维持。这些CBB面临的挑战包括保持细胞的稳定性，提高特殊传感器设计的选择性，成功地将活细胞与二级传感器耦合，延长细胞活力。

表1 不同类型生物传感器的特性比较

表2 基于哺乳动物细胞的生物传感器

2、哺乳动物CBB的细胞固定化和表面修饰

将细胞有效地固定在传感界面上是细胞传感技术面临的主要挑战之一，它影响着整个细胞传感系统的性能。形成均匀的粘附层是促进细胞固定在生物传感器表面的最常用的方法之一。因此，粘附因子可以特异性粘附细胞而不影响细胞功能，修饰传感界面对细胞传感分析至关重要。细胞外基质成分、多肽、自组装单层膜、离子植入物和纳米材料已被用于提高细胞的固定化效率和性能（图2A）。据报道，细胞外基质（ECM）成分的表面修饰可以在均匀固定细胞的同时保持细胞活力，这是许多生物传感器应用中的一个关键因素。ECM（胶原蛋白、纤维连接蛋白和层粘连蛋白）、细胞外基质衍生的分子（细胞粘附肽）和（自组装单层）SAMs主要用于各种细胞类型的固定（表3）。

图2

表3 哺乳动物CBB的细胞粘附策略

表4 哺乳动物CBB中二维和三维细胞培养的优缺点

3、哺乳动物CBB的局限性及未来展望

哺乳动物CBB作为一种易于识别和评估病原体和毒素的方法，具有许多优点，这些优点已在本文中进行了讨论。然而，特异性、稳健性和保质期是哺乳动物CBB应用面临的最严重挑战。哺乳动物的CBB在鉴定被分析物的类型方面缺乏特异性；它们也不能区分被分析物的不同性质。例如，膜活性毒素，如来自不同微生物的溶血素和溶血素，可能同样破坏哺乳动物细胞的细胞膜。为了解决这个问题，如上所述，转染了表达特定膜结合受体的外源质粒的细胞已被用于靶向特定的分析物。此外，还开发了另一种方法；利用膜工程技术，将毒素特异性抗体插入培养的哺乳动物细胞（如成纤维细胞）的细胞膜中，从而提高了传感器的特异性。哺乳动物的CBB缺乏稳健性和延长的货架寿命，因为哺乳动物的细胞通常很脆弱，容易受到损害，即使其生长环境有微小的变化。对于CBB来说，在暴露于样本时保持细胞处于生理活性状态是至关重要的。

尽管存在一些局限性，哺乳动物CBB是检测食源性病原体和毒素的很有前途的分析工具。与任何新方法一样，cbb目前正处于开发阶段。正如本综述中所讨论的那样，人们正在进行巨大的合作努力，以适当地解决这些缺点，并允许它们得到广泛应用。近年来，三维生物打印技术因其能够自动制造具有多种细胞类型和不同细胞密度的细胞负载结构而受到越来越多的关注。

原文：Lu, Xin et al. “Current research progress of mammalian cell-based biosensors on the detection of foodborne pathogens and toxins.” Critical reviews in food science and nutrition vol. 61,22 (2021): 3819-3835. doi:10.1080/10408398.2020.1809341