- 單分子檢測疾病：基于納米孔的傳感器或可變革診斷學
- 來源：朱爾斯・伯恩斯坦（Jules Bernstein），加利福尼亞大學河濱分校 發表于 2025/1/7
該傳感器是一根玻璃管，其尖端經熔化后形成尖銳的針狀結構，可浸入含有分子的液體中。來源：凱文・弗里德曼（Kevin Freedman）/ImageFX/ 加利福尼亞大學河濱分校
加利福尼亞大學河濱分校（UC Riverside）的科學家們研發出了一種基于納米孔的工具，通過捕獲單個分子發出的信號，它能夠比現有檢測手段更快、更精準地助力疾病診斷。
由于科學家們想要檢測的分子 —— 通常是特定的 DNA 或蛋白質分子 —— 寬度大約僅為十億分之一米，它們所產生的電信號非常微弱，需要專門的檢測儀器才能檢測到。
“目前，要檢測疾病需要數百萬個分子。我們正在證明，僅從單個分子就能獲取有用數據是可行的。” 加利福尼亞大學河濱分校生物工程學助理教授、一篇發表于《自然・納米技術》雜志上有關該工具的論文的第一作者凱文・弗里德曼說道，“這種靈敏度水平可能會給疾病診斷帶來實質性的改變。”
弗里德曼的實驗室旨在打造能像大腦中的神經元那樣工作并可以保留記憶的電子探測器，具體來說，就是要記住此前哪些分子曾通過該傳感器。為此，加利福尼亞大學河濱分校的科學家們開發了一種新的電路模型，該模型能夠解釋傳感器行為上的微小變化。
他們電路的核心是一個納米孔 —— 一個微小的開口，分子每次只能逐個通過它。生物樣本會與鹽一同被載入電路中，鹽會解離成離子。
如果樣本中的蛋白質或 DNA 分子穿過這個孔，就會使能夠通過的離子流減少。
弗里德曼說：“我們的探測器會測量因蛋白質或一段 DNA 穿過并阻塞離子通道而導致的離子流減少量。”
弗里德曼指出，為了分析離子所產生的電信號，該系統需要考慮到有些分子在穿過納米孔時可能未被檢測到的這種可能性。這項發現的獨特之處在于，納米孔不僅是一個傳感器，其本身還充當了一個過濾器，能減少樣本中其他分子產生的背景噪音，而這些背景噪音可能會掩蓋關鍵信號。
傳統傳感器需要外部過濾器來去除不需要的信號，但這些過濾器可能會意外地將樣本中有價值的信息一并去除掉。弗里德曼的方法確保了每個分子的信號都能得以保留，從而提高了診斷應用方面的準確性。
電容和電荷存儲模型。a，通過數值求解泊松 - 能斯特 - 普朗克方程和納維 - 斯托克斯方程得到的在 +200 mV 和 -200 mV 下納米移液管內離子的平均濃度。模擬中使用的本體離子濃度為 10 mM，離子特性為鉀離子（K⁺）和氯離子（Cl⁻）的特性。孔表面電荷為 -10 mC/m2。b，由數值模擬預測的電容系數隨離子濃度變化的函數關系。c、d，傳統電容器的示意圖，其中電荷在空間上分離，在電壓變化時可以放電。e、f，離子負電容器的示意圖，其中電荷是共定位的，但在電壓變化時仍可放電。Q 與 V 曲線的負斜率是負電容的一個特征。來源：《自然・納米技術》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41565-024-01829-5
弗里德曼設想該設備可被用于開發一種小型、便攜式診斷試劑盒 —— 大小不超過一個 U 盤 —— 它能夠在感染的最早階段就檢測出感染情況。雖然如今的檢測手段在接觸病原體數天后可能都還檢測不出感染情況，但納米孔傳感器能夠在 24 至 48 小時內檢測到感染。對于快速傳播的疾病而言，這種能力將提供顯著優勢，能夠實現更早的干預和治療。
弗里德曼說：“納米孔提供了一種在癥狀出現之前、疾病傳播之前就能更早發現感染的方法。這種工具可以讓病毒感染和慢性疾病的早期診斷變得更加切實可行。”
除了診斷方面，該設備還有望推動蛋白質研究的進展。蛋白質在細胞中起著至關重要的作用，其結構上哪怕微小的變化都可能影響健康。由于健康蛋白質和致病蛋白質之間的相似性，當前的診斷工具很難區分它們。然而，這種納米孔設備能夠測量單個蛋白質之間的細微差異，這有助于醫生設計更具個性化的治療方案。
這項研究還讓科學家們朝著實現單分子蛋白質測序這一生物學領域長期追求的目標更近了一步。雖然 DNA 測序揭示了遺傳指令，但蛋白質測序能夠深入了解這些指令是如何實時表達和修飾的。這種更深入的理解可能會促使疾病更早被發現，并能制定出針對每位患者的更精準的治療方案。
弗里德曼說：“目前在開發蛋白質測序方面有很大的發展勢頭，因為它能讓我們獲得僅靠 DNA 測序無法得到的見解。納米孔讓我們能夠以前所未有的方式研究蛋白質。”
納米孔是弗里德曼團隊將要嘗試對單個蛋白質進行測序的一項工作重點。這項工作建立在他此前關于優化納米孔用于檢測分子、病毒及其他納米級實體的研究基礎之上。他認為這些進展預示著未來分子診斷和生物學研究可能會發生的轉變。
弗里德曼說：“關于那些影響健康和致病的分子，我們仍有很多需要了解的地方。這個工具讓我們朝著個性化醫療又邁進了一步。”
弗里德曼預計，納米孔技術很快將成為科研和醫療保健工具中的一項標準配置。隨著這些設備變得更加經濟實惠且易于獲取，它們有望進入家庭或診所日常使用的診斷試劑盒當中。
弗里德曼說：“我相信納米孔將成為日常生活的一部分。這一發現可能會改變我們今后使用它們的方式。”
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