最新刊期
2026年第7卷第1期
诊疗合成生物学
张先恩，崔宗强，门冬
序
- 摘要：CRISPR/Cas系统因其高特异性、可编程性和便捷性，已成为分子诊断领域的重要工具。本文综述了CRISPR/Cas系统的技术原理、诊断平台优化及其在精准医学中的应用进展。概述了CRISPR/Cas系统的作用机制与分类，重点讨论了CRISPR诊断技术的创新优化策略，包括基于核酸预扩增［如SHERLOCK（specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking）、DETECTR（DNA endonuclease targeted CRISPR trans reporter）］和免扩增的检测方法。探讨了CRISPR/Cas技术在感染性疾病（病原体筛查、耐药性检测）、肿瘤分子分型（癌症早筛、遗传变异分析）及非核酸标志物检测中的临床应用。最后展望了该技术的未来发展方向，包括微型化设备开发、高通量智能化诊断体系构等，并分析了其在临床转化中面临的关键挑战（如灵敏度标准化、成本控制等）。通过总结目前研究，为CRISPR/Cas技术在分子诊断领域的进一步优化和医学应用提供理论参考。关键词：CRISPR/Cas系统;即时检测;临床转化应用;微型化设备;人工智能辅助分子诊断67|21|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：合成生物传感器利用基因编码的生物识别元件特异性识别靶标并将其转换成可量化的生物信号，然后通过基因线路介导的功能器件实现生物信号的定制化处理与多模态信号输出，具有生物相容性高、成本低、环境友好等优势，已在环境监测、生物制造过程监控、精准医学诊疗等领域展现出重要应用潜力。合成生物学方法和前沿技术的突破性进展，特别是基因线路的模块化工程设计原理、可编程动态调控策略和人工智能辅助的生物元件挖掘与从头设计技术，为合成生物传感器的开发提供了前所未有的助力。然而，当前合成生物传感器的产业化应用仍在多个性能指标方面面临制约。即：敏感性（Sensitivity）、特异性（Specificity）、响应速度（Speed）、稳定性（Stability）和安全性（BioSafety）——简称5S挑战。本文系统梳理了基于基因线路的合成生物传感器信号识别机制与设计范式，深入剖析了各类型合成生物传感器的技术优势与应用瓶颈，并归纳了代表性的基因线路传感功能扩展模块与应用案例。本文还介绍了合成生物传感器的关键特征以及典型优化方法，探讨了未来需要交叉融合新机制与新技术以实现合成生物传感器的范式突破与可预测定制，从而加速推动合成生物传感器广泛实际应用。关键词：合成生物传感器;基因线路;变构转录因子;双组分系统;核糖开关;核糖核酸调节子;成簇的规律性间隔的短回文重复序列/CRISPR相关蛋白（CRISPR/Cas）53|16|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：脱氧核糖核酸（DNA）分子在生命体内发挥储存和传递遗传信息的生物学功能，在体外，它还可以作为一种可编程的分子自组装纳米材料。基于DNA双螺旋模型和碱基互补配对原则，研究人员开发了多种DNA自组装技术并以此构建了尺寸、形貌可控以及具有动态响应特性的二维和三维纳米结构。鉴于DNA纳米结构具有可控的尺寸、精确的寻址能力、可定制的生物功能、良好的生物相容性等特点，其已被广泛用于生物传感、生物成像、组织工程、药物递送等分子生物学研究领域。本文概述了利用DNA自组装技术构建的二维和三维DNA纳米结构，并分类讨论了DNA链置换驱动以及环境刺激驱动的DNA纳米结构动态变构，重点介绍了DNA纳米结构的生物传感应用，最后展望了基于DNA自组装技术构建的生物传感器的发展前景与面临挑战，包括提高DNA纳米结构的合成效率和稳定性、开发体内动态监测技术、建立多重检测与快速诊断方法以及探索与CRISPR技术联用的新发展方向。关键词：DNA自组装技术;2D DNA纳米结构;3D DNA纳米结构;动态DNA纳米结构;生物传感;生物标志物40|12|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：蛋白质等生物大分子在疾病诊断与治疗、基础科学研究中占据核心地位，而抗体探针作为免疫分析的关键工具，其重要性日益凸显。近年来，抗体探针的设计、预测与生成正经历从传统的基于动物免疫的“碳基计算”向人工智能驱动的“硅基计算”的革命性转型。传统的抗体生成技术依赖动物免疫，不仅效率低下，且难以精准控制。人工智能的引入为抗体设计带来了突破，实现了高特异性、高亲和力抗体探针的快速生成及抗原表位的精准预测。这一转变不仅能提高抗体类蛋白探针的性能，也缩短了研发周期。本文介绍了抗体生成技术的演进历程，分析了人工智能在抗体设计中的应用优势与挑战，并展望了抗体类蛋白探针与新一代生物传感器的协同发展前景。随着蛋白结合蛋白（PBP）预测技术的成熟，蛋白质从头设计研究人员有望通过“硅基计算”与“硅基性能表征”，快速生成满足特定需求的探针分子，同时实现抗原表位及分子功能的精确预测。结合新一代高灵敏生物传感技术，人工智能辅助设计的非天然蛋白探针将显著提升免疫分析灵敏度，拓展可分析的分子信息类型，推动免疫分析向多维化方向发展。这一创新不仅为合成生物学研究开辟了新的研究路径，也将为精准医学诊断方法的开发提供有力支撑。关键词：免疫分析;抗体设计;碳基计算;人工智能;生物传感72|12|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：近年来，遗传编码荧光探针在结构优化与疾病诊断应用中取得了快速发展。通过蛋白质工程，荧光蛋白在光稳定性、灵敏度和光谱范围方面显著提升，并涌现出多种新型传感机制，实现了离子、代谢物及神经递质等生理信号的实时可视化。与此同时，荧光RNA在折叠稳定性、激活效率和亮度上不断突破，多色工具箱的建立使 RNA 动态成像成为可能。这两类探针已广泛应用于肿瘤代谢、糖尿病及神经疾病研究，在代谢监测、病理状态识别和早期诊断等方面展现出独特优势，推动了疾病机制解析与诊断技术进步。未来，随着探针性能持续优化和设计创新，遗传编码荧光探针有望在基础研究和临床转化中发挥更大作用，为精准诊断和个性化医疗提供有力支持。关键词：遗传编码荧光探针;荧光蛋白;荧光RNA;分子成像;疾病诊断56|9|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：宫颈癌（cervical cancer）作为全球性女性健康威胁之一，其精准诊疗是临床的迫切需求。现行的“三阶梯”宫颈癌筛查策略虽然已将宫颈癌的主要致病因素之一——高危型人乳头瘤病毒（human papillomavirus， HPV）感染纳入其中，但因HPV感染并非宫颈癌患病的充分必要条件，筛查的假阳性率较高，容易导致过度诊疗，急需发展有效且功能明确的宫颈癌分子标志物（molecular markers），辅助临床诊疗，提高诊断的精准度。目前宫颈癌分子标志物的发现与转化过程中存在两个瓶颈问题：一是现有分子标志物研发技术手段对其功能解析的分辨率不足，难以克服肿瘤异质性的干扰；二是现有分子标志物检测方法在灵敏度和定量可靠性等方面的不足，导致了对其临床功能的验证和临床转化的限制。本文提出了一种联合单细胞转录组（single cell RNA sequencing， scRNA-seq）与生物传感（biosensing）技术的研究框架，以推动更高功能分辨率的宫颈癌分子标志物的发现，和面向临床应用的分子诊断方法的技术转化。该框架引入了目前先进单细胞转录组以及基于合成生物学原理设计的生物传感系统，如面向分子标志物的定量和组织分布研究的高灵敏的原位杂交技术和CRISPR-Cas介导的核酸检测新技术，这些技术作为关键的“转化引擎”，可为宫颈癌的早期发现和精准诊疗赋能。该多技术联合策略有望建立更具临床应用价值的宫颈癌分子诊断分层体系，推动宫颈癌诊疗从单纯的“病毒筛查”向“分子精准诊断”跨越，最终改善患者的预后管理与生存质量。关键词：宫颈癌;癌症分子标志物;生物传感;单细胞转录组;精准诊疗47|3|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：RNA疫苗因其快速开发和高效免疫原性成为疫苗领域的革命性技术。本文综述了RNA疫苗的设计优化与递送策略，聚焦线性mRNA、环状RNA（circular RNA，circRNA）和自扩增RNA（self-amplifying RNA，saRNA）三大类型的分子特征与应用潜力。在设计优化方面，线性mRNA通过5′帽结构、UTR（untranslated region，UTR）优化、密码子选择和poly（A）尾延长提升稳定性和翻译效率；circRNA凭借共价闭合结构抵抗核酸酶降解，实现长效表达；saRNA利用病毒复制机制扩增抗原产量，降低剂量需求。在递送系统中，脂质纳米颗粒（lipid nanoparticle，LNP）仍占据主导地位，但其可电离脂质设计和靶向配体修饰正不断优化递送效率。此外，病毒样颗粒（virus-like particle，VLP）作为新型递送载体，凭借天然的空心结构和自组装特性，兼具高生物相容性与高效mRNA装载能力，同时可模拟天然病毒入侵途径，增强细胞摄取。最后展望了其在个性化肿瘤疫苗和通用型传染病预防中的应用前景，通过整合创新递送系统（如VLP）与智能化设计，mRNA疫苗技术将迈向更精准、安全的下一代平台。关键词：RNA疫苗;环状mRNA （circRNA）;自扩增mRNA（saRNA）;疫苗设计;递送系统;脂质纳米颗粒;病毒样颗粒20|3|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：疫苗作为防控传染性疾病的有力手段，在发展应用过程中经历了四次重要革命。近年来计算工具的迅猛发展更是推动疫苗研发走向新的阶段，形成以结构为导向，蛋白质优化与计算设计为核心的合成生物学研究范式。本文系统介绍了蛋白质优化设计中定向进化、半理性设计和理性设计三种策略与从头合成技术在疫苗研发中的应用与价值。在免疫原设计层面，介绍了结构稳定性改造、表位聚焦、糖基化修饰调控等策略对提升抗原免疫原性与广谱性等特性方面的潜力。在递送系统层面，介绍了蛋白纳米颗粒凭借高密度抗原展示与几何构象优势，结合“马赛克”多价展示技术，在诱导交叉中和抗体生成方面具有独特的优势。人工智能计算工具的突破性进展实现了从“结构模拟”到“功能定制”的转变，并极大地推动了以抗原-抗体复合物结构为导向的反向疫苗学的发展。整合表位计算筛选与从头蛋白骨架设计，实现了疫苗从天然结构到定制结构的突破。尽管面临高变异病原广谱保护、动态构象模拟等挑战，疫苗设计与计算工具的深度融合加速了新型冠状病毒、呼吸道合胞病毒等疫苗的临床转化，并为未来新发和突发传染病防控提供了通用设计方法。关键词：蛋白质优化;从头合成;疫苗设计;纳米颗粒疫苗;反向疫苗学27|5|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：细胞膜纳米颗粒（cell membrane-derived nanoparticle， CNP）能够有效整合天然细胞膜的生物学特性和纳米材料的理化性质，在疾病诊疗研究中展现出循环时间长、生物相容性好和靶向特异性强等优势；但其临床应用受限于天然膜的异质性和功能局限性。合成生物学为突破这一瓶颈提供了创新性策略，驱动CNP实现从天然仿生到精准设计的范式转变。基因工程技术通过物理、化学及生物学手段精准编辑细胞膜蛋白表达，而代谢工程技术通过糖类和脂质代谢等通路实现细胞膜表面功能分子的定向锚定，从而赋予CNP增强的靶向特异性、智能响应性与多功能协同性，使其在恶性肿瘤、心血管疾病和感染性疾病等多种疾病领域展现出巨大潜力。尽管在安全性评估、规模化生产和监管框架构建等方面仍面临挑战，但随着人工智能辅助设计、新型基因编辑和代谢介入技术的发展以及标准化生产平台的建立，合成生物学赋能的CNP有望实现从实验室研究向临床应用的跨越，发展成为助力精准医疗的智能纳米诊疗平台。关键词：细胞膜纳米颗粒;合成生物学;基因工程;代谢工程;精准医疗26|3|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：基于三重态-三重态湮灭机制的上转换发光（TTA-UC）材料因其独特的光物理特性，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。这类材料通过双光子吸收过程实现低能量激发光向高能量发射光的转换，使其在深层组织成像、精准光动力治疗及神经调控等前沿领域具有重要应用价值。然而，氧分子对三重激发态的非辐射猝灭效应严重制约了TTA-UC材料在生物医学中的实际应用。针对这一技术瓶颈，近十年来国内外多个研究团队相继提出了多种抑制氧分子猝灭效应的创新策略。本文系统梳理了当前构建耐氧高效TTA-UC材料的主要技术路径，主要包括提高TTA-UC分子体系的光稳定性的方法、利用还原性油滴清除氧气的策略以及通过微观结构调控分子间三重态能量转移速率的路径，重点阐释了这些方法的工作机理，并系统评估各类方法的优势与局限性。指出了发展TTA-UC纳米颗粒面临的主要挑战，并展望在不久的将来TTA-UC将会与合成生物学交叉融合，发展出生物合成的上转换蛋白，推动上转换发光成为基础的生命科学研究工具，以期在多个领域得到实际应用。关键词：三重态-三重态湮灭上转换;光氧化还原;纳米颗粒;生物合成;纳米生物技术20|2|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：人工血液是一类具有载氧能力、可替代血液部分功能的液体制剂，其研发旨在缓解对献血供给的依赖，以应对血液供应不足及输血风险隐患。近年来，随着合成生物技术的突破，人工血液主要成分如红细胞、血小板和血浆等在功能重构与系统集成方面取得了显著进展。本文基于合成生物学视角，系统阐述人工血液主要成分的构建策略与研究进展。在人工红细胞方面，通过血红蛋白结构优化、血红素合成通路重构及仿生膜封装，显著提升携氧效率和体内稳定性；在人工血小板方面，通过干细胞编程与基因编程，血小板生成效率显著提高；在人工血浆方面，通过核心功能蛋白表达优化与多功能融合蛋白设计，为实现稳定的血容量维持以及免疫支持提供可能性。最后，本文探讨了当前人工血液研究面临的挑战与未来发展方向。目前，人工血液的研究仍主要聚焦于单一功能模块的构建，且在生物相容性、长期稳定性、规模化制备及质量标准体系建设等方面存在诸多瓶颈。未来，可借助合成生物学的模块化设计理念与人工智能辅助，整合红细胞、血小板及血浆等关键功能模块，推动人工血液研究的临床转化，从而为开发更安全、高效的新一代血液替代品提供重要支撑。关键词：人工血液;合成生物学;人工红细胞;人工血小板;血浆替代品18|5|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：作为干细胞特异性标志物的富含亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体5（leucine-rich repeat-containing G protein-coupled receptor 5，Lgr5）是细胞膜上的一段七次跨膜受体蛋白，它通过调控Wnt/β-catenin信号维持干细胞增殖与分化平衡，同时与BMP、Notch等通路耦合，协同促进类器官的形成。类器官是一种在体外培养的、具有类似真实器官结构和功能的3D细胞团，不仅能还原组织复杂的结构，也能模拟组织的生理环境，是各种组织器官研究比较精准的体外模型。近年来，类器官为营养吸收、疾病建模、药物筛选和基因编辑等方面的研究提供了比细胞更真实的模型，在生物医学领域引起了广泛关注。因此，本文重点综述了Lgr5通过与R-spondins结合并增强Wnt/β-catenin信号通路，进而调控干细胞自更新与定向分化的分子机制，阐述了其作为核心驱动力在构建微型肠道、肝脏及胰腺类器官中的关键作用，同时，详细探讨了消化道类器官在模拟结直肠癌、非酒精性脂肪肝等疾病病理，以及作为供体组织用于肠黏膜损伤修复和胆管重建等再生医学领域的具体应用，最后，针对目前类器官技术面临的基质胶成分不明确、缺乏血管化和免疫微环境等挑战，提出了结合微流控芯片、合成生物支架及多细胞共培养技术实现类器官复杂化、标准化的未来发展方向，旨在为消化系统疾病的精准治疗提供理论依据。关键词：富含亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体5（Lgr5）;类器官;Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）;干细胞功能调控;疾病建模38|3|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：本文系统性地探讨了在医学诊疗中使用合成生物学的技术突破与价值边界。随着基因编辑、DNA合成与拼接、调控元件设计等使能技术的快速进步，合成生物学已从实验室走向临床应用，为多种疾病提供了突破传统治疗路径的干预策略。然而，这些技术创新也带来了复杂的伦理难题。本文从实用性、社会政治性和范畴性三个维度，分析了诊疗用合成生物学，尤其是基因编辑技术所面临的生物安全风险、双重用途困境、全球健康公平以及基因组完整性与人类尊严等多层次伦理议题，并提出了以人本原则、风险最小化和可持续发展为核心的伦理治理框架，同时分析了合成生物学跨文化治理经验对比与中国伦理治理模式的创新。通过技术与伦理的整合性思考，本文为合成生物学在医学诊疗领域的负责任创新提供了系统性参考，促进技术进步与伦理守护的和谐统一。关键词：合成生物学;基因编辑;医学诊疗;伦理治理;生物安全19|2|0更新时间：2026-03-07
- 摘要：随着人工设计的基因元件和工程菌应用于医学诊断和疾病治疗领域的增加，由此产生的生物安全风险也越来越受到重视。本文回顾了合成生物学的生物安全防控策略，特别介绍了近几年医学诊疗工程菌的生物安全防控研究。工程菌的生物安全防控可以防止宿主菌和基因元件脱离病灶区域向环境泄漏。基于营养缺陷或自杀基因的调控系统广泛用于限制工程菌的逃逸，基因元件拆分和靶向降解策略则可以防止基因元件扩散到环境中被其他细胞利用。环境中的代谢物和基因片段可能转移进入工程菌，这是导致生物安全防控机制失效的重要因素。非天然核苷酸和非天然氨基酸等非天然复制翻译系统的正交性好，可以大幅减少环境和工程菌间的相互影响。综合不同合成生物学原理设计的多层生物安全防控系统对于未来解决生物安全问题具有极大潜力。关键词：生物安全防控;营养缺陷;自杀基因;毒素-抗毒素;基因编辑;非天然核苷酸;非天然氨基酸18|6|0更新时间：2026-03-07
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