纳米级生物传感器让科学家实时监测分子

如果我们能持续监测我们身体的分子状态，那岂不是很神奇？考虑一下可以实现的解决方案，从优化药物递送到癌症等致命疾病的早期检测。

在过去的二十年里，研究的目标是通过开发测量我们体内化学或生物反应的设备，并将其测量结果作为可从体外读取的信号发送，从而实现这一目标。这些被称为生物传感器的设备现在可以实时发现药物等微小分子，但它们只能短暂工作。目前还没有一种可靠的生物传感器可以长时间监测我们体内的许多不同物质。

为了解决这一局限性，斯坦福大学的研究人员现在设计了一种模块化生物传感器，称为用于血液原位跟踪的稳定电化学纳米结构传感器（SENSBIT）系统，当直接植入活体大鼠的血管中时，该系统可以保持完全功能长达一周。

在《自然生物医学工程》发表的一篇论文中，斯坦福大学的研究小组表明，SENSBIT可以连续跟踪药物浓度分布。该团队在活体大鼠模型和人类血清中都获得了最大的信号效能。

在十年的时间里，Soh实验室的研究人员设计了一种分子开关，可以与体内感兴趣的小分子结合，产生可读的信号输出，以连续测量分子的浓度。由于身体的自然免疫反应，这些开关本身容易退化。

为了帮助防止这个问题，在他们之前的工作中，该团队将开关“隐藏”在纳米多孔电极中。然后，来自这些电极的信号可以首次测量活体大鼠肿瘤内的药物水平。尽管付出了努力，但由于免疫系统的攻击，这项技术在生物体内仍然无法持续足够长的时间。

“我们需要一个能够在保护分子开关的同时感知目标的材料系统，就在那时，我想，等等，生物学是如何解决这个问题的？”该论文的第一作者Yihang Chen说，他在Soh攻读材料科学与工程博士学位期间进行了这项工作。

Chen和他的团队从人类肠道中汲取灵感，设计了SENSBIT系统来模仿肠道的自然防御。与肠壁内衬的微绒毛一样，传感器的3D纳米多孔金表面保护其敏感元件免受干扰，而模仿肠粘膜的保护涂层有助于防止降解。这种仿生设计使SENSBIT即使在连续暴露于活体动物体内流动的血液中数天后也能保持稳定和灵敏。

在测试SENSBIT时，Chen团队发现，在未稀释的人血清（去除细胞和凝血因子后留下的血液部分）中一个月后，它保留了70%以上的信号，在活体大鼠血管中植入一周后，保留了60%以上的信号。据研究人员所知，这种设备的静脉注射暴露上限为11小时，而SENSBIT持续了7天。因此，SENSBIT可以在复杂的生物流体中提供可靠的实时分子监测。

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当病毒、细菌或任何其他入侵者试图破坏我们的自然系统时，我们的身体有一个非常协调的剧本。如果我们能理解身体是如何使用这些分子进行协调的，我们就有可能在任何症状出现之前感染。

使用SENSBIT系统并不是连续分子监测的唯一策略；尽管如此，它似乎比任何在血液中测试过的类似设备都要好得多。

持续的分子监测可以为一种新的医学范式打开大门，在这种范式中，我们不仅可以更早地发现疾病，还可以实时定制治疗方法。

“我相信我们的工作有助于为未来奠定基础，”陈说，“我很有动力帮助推动这些界限向前发展。”

Soh是W.m.Keck基金会电气工程教授。他也是斯坦福生物-X、吴-蔡人类表现联盟、妇幼健康研究所、斯坦福癌症研究所和吴-蔡神经科学研究所的成员，也是Sarafan ChEM-H的研究员。郝、博士后学者Jean Won Kwak、前研究工程师Jun-Chau Chien、前博士后学者Vladimir Kesler、前博士后研究员Hnin Yin Nyein和电气工程系附属机构Michael Eisenstein