细胞生物传感器三维微环境结构的研究进展及食品安全展望

细胞生物传感器三维微环境结构的研究进展及食品安全展望

基于细胞的生物传感器（CBBs）的开发和应用为快速检测目标分析物提供了一种方便的策略。CBBs因其响应时间短、操作方便、低毒、便携性等优点，被广泛应用于食品安全、环境监测和药物诊断等领域。然而，基于二维（2D）体外培养细胞的CBBs的细胞活力和分离生理能力较低，这阻碍了这些生物传感器的准确评价。随着纳米技术和三维（3D）打印技术的发展，固定在3D生物传感器或3D微环境中的细胞在灵敏度和检测真实性方面比传统的CBB有很大的提高。为了促进CBB的进一步发展，本文综述了构建三维仿生细胞芯片的相关技术，包括有机/无机剂，以及适用于构建三维细胞培养微环境的操作方法。然后，讨论了基于微生物和哺乳动物细胞生物传感器的三维仿生细胞芯片在食品安全领域的应用。

生物传感器是一种分析装置，可基于预加载传感元件和功能化传感器的物理化学和/或生理活动来检测/传感特定目标。由于传感元件的多样化以及在实时监测、灵敏度和快速响应方面的特征，生物传感器策略已被用作环境监测、药物筛选、食品质量评价的重要技术之一。对于生物传感器来说，最重要的部分是预负荷传感元件，它可以由天然的生物分子组成，即酶、抗体等，合成生物分子，即适配体、人工DNA链等，细胞器，即线粒体等，完整的细胞，即哺乳动物细胞、细菌、微藻类以及组织等。作为生物的基本传感单元，由于培养模型细胞的准生理活动，将活细胞与传感器/传感器相结合的CBB得到了广泛的发展，可以直接8响应目标的生化刺激，并将刺激转化为数字信号，用于传感器和/或传感器记录。

图 1 2022年4月13日，基于科学网络检索，对以“生物传感器”和“细胞生物传感器”等主题为主题的出版物及其引文进行统计

图2 基于不同传感单元的生物传感器检测领域示意图

表1使用海藻酸盐构建的检测食品危害的3D细胞生物传感器

表2基于明胶或胶原蛋白的3D细胞培养物

食物基质中的哺乳动物细胞基CBB。不同于细菌，哺乳动物细胞有可能生物化学反应不仅食物矩阵的危险物质，即重金属、抗生素残留、农药残留物、过敏原、毒素和食源性病原体，甚至一些未知组件通过记录细胞存活率或阻抗信号的变化刺激分析物在食物矩阵。因此，电子阻抗传感、MEAs和光可寻址电位传感器是哺乳动物细胞的常用方法。例如，Banerjee等人通过将B细胞杂交瘤嵌入3D胶原蛋白中，分析了Ped-2E9细胞在病原体入侵下释放的碱性磷酸酶，并通过操作比色法进行定量。根据食源性病原体分泌的N-酰基高丝氨酸内酯与细胞接触后可引起炎症因子表达和细胞凋亡的生理原理，Jiang等人设计了一种基于RBL-2H3肥大细胞的电动阻抗传感器来评价食物过敏原。N-3-氧十二烷基高丝氨酸内酯的LOD值为0.034 μM，线性范围为0.1~1μM。

综上所述，CBBs方法为直接观察或评价生物体对某些特定危害的生理反应提供了一种良好的体外技术。3D CBBs方法为细胞提供了一个类似于生物体的生长环境，这无疑确保了细胞的生物反应更加敏感和可靠。本文综述的三维支架合适的基础材料与操作技术，即三维印刷、光刻和纳米科学技术的集成，将使信号产生、信号传输和细胞响应成为生物体的基本特征。然而，基于3D细胞的生物传感器在3D CBBs的构建过程中仍存在一些需要注意的问题：

（1）支架的硬度和ECM的硬度会影响模型细胞的分化和正常表达，因此需要仔细选择适合3D支架的药物/材料。首先，支架和ECM的硬度会影响模型细胞的分化和正常表达，因此需要仔细选择适合三维支架的药物/材料。随着材料化学和生物技术的发展，我们相信，在未来，细胞传感检测方法将会有更大的进展。

（2）目前CBBs方法中的哺乳动物模型细胞大多是肿瘤细胞的克隆，而不是原代细胞，这将影响细胞的抗性，并可能提供不同的反应。此外，传感单元中的分离细胞通常缺乏细胞间的信息传输，因此，在使用CBB方法进行代谢组学和生物信息学研究中，必须仔细校正信号传输和信号跳跃记录。

（3）如前所述，CBB方法已被用于检测食物过敏原、食品过敏原、食源性病原体、细菌毒素、风味和农药残留。为了进一步开发用于先进医学的CBB，在CBB手术中应采用基因重组和细胞表面修饰技术。例如，Larou等人通过将黄曲霉毒素M1的同源抗体（AFM1）插入细胞膜，赋予成纤维细胞对AFM1的识别功能，并通过检测膜电位的变化来实现定量评价

因此，我们认为受体修饰或在模型细胞上构建正成为未来构建CBB的一种有前途的方法。同时，为了提高模型细胞的耐受性和敏感性，应更加重视哺乳动物模型细胞的构建和基因重组，从而进一步提高CBB的功能和稳定性。

原文：Li, S., Li, Y., Li, J., Liu, J., Pi, F., & Ping, J. (2022). Recent advances of three-dimensional micro-environmental constructions on cell-based biosensors and perspectives in food safety. Biosensors & bioelectronics, 216, 114601. https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114601