这种创新的植入式传感器可针对炎症和慢性疾病进行实时蛋白质监测，有望彻底变革医疗保健。
体内蛋白质生物标志物的持续监测，一直是一项重大科学挑战，但它在管理和预防疾病方面却具有变革性潜力。目前的穿戴式和植入式传感器已经可以跟踪葡萄糖和电解质等小分子物质。
然而，在蛋白质（炎症和其他健康状况的关键标志物）监测方面却一直停滞不前。蛋白质浓度低、结合动态慢，一直难以进行实时测量。现在，一项新突破有望克服这些障碍。
据麦姆斯咨询介绍，芝加哥陈-扎克伯格生物中心（Chan Zuckerberg Biohub Chicago）和西北大学（Northwestern University）的一支联合研究小组开发出了一种创新的植入式传感器，能够持续跟踪生物体内的蛋白质波动。该研究成果已经以“Active-reset protein sensors enable continuous in vivo monitoring of inflammation”为题发表在Science期刊上，这项概念验证研究展示了该技术如何以前所未有的灵敏度和准确性监测糖尿病大鼠的炎症标志物。
这项具有里程碑意义的技术被喻为“蛋白质CGM（持续血糖监测）”，能够实时跟踪炎症——一种与全球一半死亡疾病（包括心脏病和癌症）相关的生物过程。
植入皮肤的微型装置示意图。插入皮肤后，该装置将间质液输送到工作电极（WE）、参比电极（RE）和对电极（CE）。
该项目高级研究员、芝加哥陈-扎克伯格生物中心总裁Shana Kelley说：“这是一种全新的能力，能够实时观测炎症的发展。”
实时监测蛋白质的挑战
蛋白质在细胞通信和免疫应答中发挥着至关重要的作用，其水平可作为关键的健康指标。然而，传统的传感器难以解决蛋白质与检测分子的长期强结合问题，因此几乎无法测量其动态变化。
例如，使用抗体等高亲和力受体的传感器，其结合半衰期长达20小时，因此不适合实时检测应用。
目前的诊断工具依赖于血液或尿液检测，而这些检测只能提供蛋白质水平的快照。虽然这些方法对了解健康趋势至关重要，但它们无法捕捉到炎症、糖尿病或心力衰竭等疾病中至关重要的快速波动。对体内蛋白质的连续监测，有望填补这一重要空白。
这项突破源于一种简单自然过程的启发。首席研究员Hossein Zargartalebi将这种机制比作从树上摇下苹果。这种传感器使用了纳米级DNA受体连接电极。
当施加交变电场时，DNA链会像钟摆一样摆动，在几秒钟内“甩掉”结合的蛋白质，然后复位进行下一次测量。这种主动复位机制使传感器能够提供蛋白质浓度变化的实时反馈。
Kelley解释说：“我们认识到了蛋白质监测的根本性障碍，并提出了一种新思路，或许我们可以直接将蛋白质从传感器上‘抖落’下来。我们第一次尝试效果就非常好。”
基于振荡的传感器复位方法，能够持续监测蛋白质水平的动态变化
糖尿病大鼠测试
研究人员设计了一种植入式装置，在微针中嵌入了传感器，其大小与持续血糖监测仪中使用的传感器相当。这种微针的直径差不多约为三根头发丝，可以对皮肤下的间质液进行采样。研究人员将该装置在糖尿病大鼠身上进行了测试。糖尿病大鼠是一种模型系统，其炎症在糖尿病并发症中扮演关键角色。
植入皮肤微型装置的设计及应用，植入大鼠后进行体内细胞因子的持续监测
该传感器可监测两种细胞因子，它们是炎症的关键蛋白质标志物。当老鼠禁食或注射胰岛素时，测得的细胞因子水平会下降，反映出炎症的减轻。相反，注射免疫激活物质会导致细胞因子水平飙升。这些测量结果与金标准实验室方法非常吻合，证实了该装置的准确性。
即使是轻微的炎症，如注射胰岛素时针头本身引起的炎症，传感器也能检测到。这种超乎寻常的灵敏度，凸显了该技术在跟踪微小生物变化方面的潜力。
基于振荡复位的分子动力学分析
这项技术的意义远不止于炎症监测。Kelley认为它还能够应用于管理其他蛋白质作为关键生物标志物的病症。
例如，在心力衰竭患者中，实时跟踪B型利钠肽（BNP）的水平可以尽早采取干预措施。目前，BNP通常是在患者每季度就诊时进行检查，这就留下了监测空白，可能会延误治疗。
Kelley指出：“如果患有心力衰竭，可能每三个月去看一次医生。但在两次就诊之间往往会出现症状。有了这种连续监测仪，医生就可以获取实时数据，并在症状恶化前调整药物。”
该技术还有可能应用于了解免疫系统的行为。研究小组的目标是将其用于嵌入数千个传感器的组织模型中，探索免疫细胞的实时行为，并确定导致疾病的关键临界点。
微针显微镜图像，展示了（i和ii）包括入口特征的微针侧视图，以及（iii）微针尖端。
面向人类应用
虽然目前的研究主要针对大鼠，但研究人员对将这项技术应用于人类感到乐观。通过使持续蛋白质监测变得可行，这项创新有望彻底变革慢性病和急性病的管理方式。
实时监测炎症和其它生物标志物的能力，可以让我们更早地做出诊断，提供更个性化的治疗，甚至制定预防策略。
Kelley表示：“这使我们可以监测甚至预防许多疾病。知道有炎症，就可以通过控制炎症来改善自己的健康状况。”
植入式微型装置。（i）带有外壳的植入装置；（ii）在大鼠背部皮肤上植入传感器。
芝加哥陈-扎克伯格生物中心的科学家、工程师和医生通力合作，证明了跨学科研究如何产生突破性的解决方案。这项工作得到了陈-扎克伯格倡议计划（Chan Zuckerberg Initiative）和其他著名机构的资助，凸显了创新在医疗保健领域的变革力量。
这种主动复位传感器代表了生物电子技术的重大飞跃，为分子尺度上的实时健康监测奠定了基础。随着研究人员不断改进该器件并探索更多应用，它将为人类健康带来巨大的潜在效益。从控制炎症到监测心力衰竭等疾病，这项技术有望成为预防医学的新基石。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2600
