用单个分子检测疾病：基于纳米孔的传感器可以改变诊断

加州大学河滨分校的科学家们开发了一种基于纳米孔的工具，通过捕获单个分子的信号，可以比目前的测试更快、更精确地诊断疾病

由于科学家想要检测的分子——通常是某些DNA或蛋白质分子——大约是十亿分之一米宽，它们产生的电信号非常小，需要专门的检测仪器

加州大学河滨分校生物工程助理教授、《自然纳米技术》杂志上发表的一篇关于该工具的论文的主要作者凯文·弗里德曼说：“现在，你需要数百万个分子来检测疾病。我们正在证明，只从一个分子中就有可能获得有用的数据。”。“这种灵敏度水平可能会对疾病诊断产生真正的影响。”Freedman的实验室旨在构建电子探测器，其行为类似于大脑中的神经元，可以保留记忆：特别是之前通过传感器的分子的记忆。为此，加州大学河滨分校的科学家开发了一种新的电路模型，可以解释传感器行为的微小变化

他们电路的核心是一个纳米孔——一个微小的开口，分子一次穿过一个。生物样本与盐一起被装入电路，盐会分解成离子

如果样品中的蛋白质或DNA分子通过孔，这会减少可以通过的离子流量。

弗里德曼说：“我们的检测器测量蛋白质或DNA通过并阻断离子通道引起的流量减少。”

Freedman建议，为了分析离子产生的电信号，系统需要考虑一些分子在通过纳米孔时可能无法被检测到的可能性。这一发现的不同之处在于，纳米孔不仅是一个传感器，而且本身就是一个过滤器，可以减少样品中其他分子的背景噪声，从而掩盖关键信号

传统传感器需要外部过滤器来去除不需要的信号，而这些过滤器可能会意外地从样本中删除有价值的信息。Freedman的方法确保了每个分子的信号得以保留，从而提高了诊断应用的准确性

Freedman设想该设备将用于开发一种小型便携式诊断试剂盒，其大小不超过USB驱动器，可以在早期检测感染。虽然今天的测试可能在暴露后几天内不会记录感染，但纳米孔传感器可以在24至48小时内检测到感染。这种能力将为快速传播的疾病提供显著优势，使早期干预和治疗成为可能

弗里德曼说：“纳米孔提供了一种在症状出现和疾病传播之前更快地感染的方法。”。“这种工具可以使病毒感染和慢性疾病的早期诊断更加实用。”

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除了诊断，该设备还有望推进蛋白质研究。蛋白质在细胞中起着至关重要的作用，即使它们结构的微小变化也会影响健康。由于它们的相似性，目前的诊断工具很难区分健康蛋白质和致病蛋白质。然而，纳米孔设备可以测量单个蛋白质之间的细微差异，这可以帮助医生设计更个性化的治疗方法

这项研究还使科学家们更接近实现单分子蛋白质测序，这是生物学长期追求的目标。虽然DNA测序揭示了遗传指令，但蛋白质测序提供了对这些指令如何实时表达和修改的见解。这种更深入的理解可能会导致更早地发现疾病，并为每个患者量身定制更精确的治疗方法

弗里德曼说：“蛋白质测序的发展势头很大，因为它将为我们提供仅靠DNA无法获得的见解。”。“纳米孔使我们能够以以前不可能的方式研究蛋白质。”

纳米孔是弗里德曼团队试图对单个蛋白质进行测序的重点。这项工作建立在他之前关于改进纳米孔用于传感分子、病毒和其他纳米级实体的研究之上。他将这些进展视为分子诊断和生物学研究未来可能发生转变的标志

弗里德曼说：“关于驱动健康和疾病的分子，我们还有很多需要了解的地方。”。“该工具使我们更接近个性化医疗。”Freedman预计，纳米孔技术将很快成为研究和医疗保健工具的标准功能。随着这些设备变得越来越便宜和容易获得，它们可以在家里或诊所使用的日常诊断试剂盒中找到一席之地

弗里德曼说：“我相信纳米孔将成为日常生活的一部分。”。“这一发现可能会改变我们未来使用它们的方式。”