Nature Nanotechnology：只用一个分子就能检测疾病

　　

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——大约是一米的十亿分之一宽，因此它们产生的电信号非常小，需要专门的检测仪器。

“现在，你需要数百万个分子来检测疾病。我们展示了从单个分子中获取有用数据的可能性，”加州大学洛杉矶分校生物工程助理教授凯文·弗里德曼（Kevin Freedman）说，他在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表了一篇关于该工具的论文。“这种水平的灵敏度可能会对疾病诊断产生真正的影响。”

Freedman的实验室的目标是制造一种电子探测器，它可以像大脑中的神经元一样工作，并能保留记忆：具体来说，是那些分子以前通过传感器的记忆。为了做到这一点，UCR的科学家们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——一个分子每次只能通过一个的微小开口。生物样品和盐一起被装载到电路中，盐解离成离子。

如果样品中的蛋白质或DNA分子通过孔，就会减少可以通过的离子流量。Freedman说：“我们的探测器测量的是蛋白质或DNA片段通过并阻止离子通过所导致的流量减少。”

Freedman建议，为了分析离子产生的电信号，该系统需要考虑到某些分子在通过纳米孔时可能无法被检测到的可能性。

这一发现的与众不同之处在于，纳米孔不仅是一个传感器，它本身还起到了过滤器的作用，减少了样品中其他分子的背景噪音，这些噪音可能会掩盖关键信号。

传统的传感器需要外部滤波器来去除不需要的信号，而这些滤波器可能会意外地从样本中去除有价值的信息。Freedman的方法确保了每个分子的信号被保留下来，提高了诊断应用的准确性。

Freedman设想，该设备将被用于开发一种小型便携式诊断试剂盒——不大于一个USB驱动器——可以在感染的早期阶段检测出来。虽然今天的测试可能在暴露后几天内无法记录感染，但纳米孔传感器可以在24到48小时内检测到感染。这种能力将为快速传播的疾病提供重大优势，使其能够进行早期干预和治疗。

Freedman说：“纳米孔提供了一种方法，可以在症状出现和疾病传播之前更早地感染。”“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。”

除了诊断之外，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，即使它们结构上的微小变化也会影响健康。由于健康蛋白质和致病蛋白质的相似性，目前的诊断工具很难区分它们之间的差异。然而，纳米孔装置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于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。这种更深入的了解可能会导致更早地发现疾病，并为每位患者量身定制更精确的治疗方法。

Freedman说：“开发蛋白质测序有很大的动力，因为它将给我们提供仅从DNA中无法获得的见解。”“纳米孔使我们能够以以前不可能的方式研究蛋白质。”

纳米孔是国家人类基因组研究所授予Freedman的一项研究资助的重点，他的团队将尝试对单个蛋白质进行测序。这项工作建立在Freedman先前的研究基础上，该研究改进了纳米孔用于传感分子、病毒和其他纳米级实体的使用。他认为这些进步预示着分子诊断学和生物学研究将在未来发生怎样的转变。

Freedman说：“关于驱动健康和疾病的分子，还有很多东西需要学习。”“这个工具让我们离个性化医疗更近了一步。”

Freedman预计纳米孔技术将很快成为研究和医疗工具的标准特征。随着这些设备变得更便宜、更容易获得，它们可能会在家庭或诊所使用的日常诊断试剂盒中占有一席之地。

Freedman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今后使用它们的方式。”