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- 單分子檢測疾�。夯诩{米孔的傳感器或可變革診斷學(xué)
- 來源：朱爾斯・伯恩斯坦（Jules Bernstein），加利福尼亞大學(xué)河濱分校 發(fā)表于 2025/1/7
該傳感器是一根玻璃管，其尖端經(jīng)熔化后形成尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，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(xué)河濱分校
加利福尼亞大學(xué)河濱分校（UC Riverside）的科學(xué)家們研發(fā)出了一種基于納米孔的工具，通過捕獲單個(gè)分子發(fā)出的信號(hào)，它能夠比現(xiàn)有檢測手段更快、更精準(zhǔn)地助力疾病診斷。
由于科學(xué)家們想要檢測的分子 —— 通常是特定的 DNA 或蛋白質(zhì)分子 —— 寬度大約僅為十億分之一米，它們所產(chǎn)生的電信號(hào)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(shù)百萬個(gè)分子。我們正在證明，僅從單個(gè)分子就能獲取有用數(shù)據(jù)是可行的�！� 加利福尼亞大學(xué)河濱分校生物工程學(xué)助理教授、一篇發(fā)表于《自然・納米技術(shù)》雜志上有關(guān)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(huì)給疾病診斷帶來實(shí)質(zhì)性的改變�！�
弗里德曼的實(shí)驗(yàn)室旨在打造能像大腦中的神經(jīng)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(xué)河濱分校的科學(xué)家們開發(fā)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(gè)納米孔 —— 一個(gè)微小的開口，分子每次只能逐個(gè)通過它。生物樣本會(huì)與鹽一同被載入電路中，鹽會(huì)解離成離子。
如果樣本中的蛋白質(zhì)或 DNA 分子穿過這個(gè)孔，就會(huì)使能夠通過的離子流減少。
弗里德曼說：“我們的探測器會(huì)測量因蛋白質(zhì)或一段 DNA 穿過并阻塞離子通道而導(dǎo)致的離子流減少量�！�
弗里德曼指出，為了分析離子所產(chǎn)生的電信號(hào)，該系統(tǒng)需要考慮到有些分子在穿過納米孔時(shí)可能未被檢測到的這種可能性。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特之處在于，納米孔不僅是一個(gè)傳感器，其本身還充當(dāng)了一個(gè)過濾器，能減少樣本中其他分子產(chǎn)生的背景噪音，而這些背景噪音可能會(huì)掩蓋關(guān)鍵信號(hào)。
傳統(tǒng)傳感器需要外部過濾器來去除不需要的信號(hào)，但這些過濾器可能會(huì)意外地將樣本中有價(jià)值的信息一并去除掉。弗里德曼的方法確保了每個(gè)分子的信號(hào)都能得以保留，從而提高了診斷應(yīng)用方面的準(zhǔn)確性。
電容和電荷存儲(chǔ)模型。a，通過數(shù)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(nèi)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�？妆砻骐姾蔀� -10 mC/m2。b，由數(shù)值模擬預(yù)測的電容系數(shù)隨離子濃度變化的函數(shù)關(guān)系。c、d，傳統(tǒng)電容器的示意圖，其中電荷在空間上分離，在電壓變化時(shí)可以放電。e、f，離子負(fù)電容器的示意圖，其中電荷是共定位的，但在電壓變化時(shí)仍可放電。Q 與 V 曲線的負(fù)斜率是負(fù)電容的一個(gè)特征。來源：《自然・納米技術(shù)》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41565-024-01829-5
弗里德曼設(shè)想該設(shè)備可被用于開發(fā)一種小型、便攜式診斷試劑盒 —— 大小不超過一個(gè) 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(shù)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(shí)內(nèi)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(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)更早的干預(yù)和治療。
弗里德曼說：“納米孔提供了一種在癥狀出現(xiàn)之前、疾病傳播之前就能更早發(fā)現(xiàn)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(shí)可行�！�
除了診斷方面，該設(shè)備還有望推動(dòng)蛋白質(zhì)研究的進(jìn)展。蛋白質(zhì)在細(xì)胞中起著至關(guān)重要的作用，其結(jié)構(gòu)上哪怕微小的變化都可能影響健康。由于健康蛋白質(zhì)和致病蛋白質(zhì)之間的相似性，當(dāng)前的診斷工具很難區(qū)分它們。然而，這種納米孔設(shè)備能夠測量單個(gè)蛋白質(zhì)之間的細(xì)微差異，這有助于醫(yī)生設(shè)計(jì)更具個(gè)性化的治療方案。
這項(xiàng)研究還讓科學(xué)家們朝著實(shí)現(xiàn)單分子蛋白質(zhì)測序這一生物學(xué)領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)更近了一步。雖然 DNA 測序揭示了遺傳指令，但蛋白質(zhì)測序能夠深入了解這些指令是如何實(shí)時(shí)表達(dá)和修飾的。這種更深入的理解可能會(huì)促使疾病更早被發(fā)現(xiàn)，并能制定出針對每位患者的更精準(zhǔn)的治療方案。
弗里德曼說：“目前在開發(fā)蛋白質(zhì)測序方面有很大的發(fā)展勢頭，因?yàn)樗茏屛覀儷@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(zhì)�！�
納米孔是弗里德曼團(tuán)隊(duì)將要嘗試對單個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行測序的一項(xiàng)工作重點(diǎn)。這項(xiàng)工作建立在他此前關(guān)于優(yōu)化納米孔用于檢測分子、病毒及其他納米級(jí)實(shí)體的研究基礎(chǔ)之上。他認(rèn)為這些進(jìn)展預(yù)示著未來分子診斷和生物學(xué)研究可能會(huì)發(fā)生的轉(zhuǎn)變。
弗里德曼說：“關(guān)于那些影響健康和致病的分子，我們?nèi)杂泻芏嘈枰私獾牡胤�。這個(gè)工具讓我們朝著個(gè)性化醫(yī)療又邁進(jìn)了一步�！�
弗里德曼預(yù)計(jì)，納米孔技術(shù)很快將成為科研和醫(yī)療保健工具中的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著這些設(shè)備變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于獲取，它們有望進(jìn)入家庭或診所日常使用的診斷試劑盒當(dāng)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(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變我們今后使用它們的方式�！�
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