据麦姆斯咨询介绍，美国加州大学河滨分校（UC Riverside）的科学家们开发出了一种基于纳米孔的检测工具，通过捕捉单个分子的信号，就可以帮助诊断疾病，而且比目前的检测方法更快、更精确。
形如一根玻璃管的纳米孔传感器，顶端熔化后形成尖锐的针状结构，将其浸入含有分子的液体中
科学家通常想要检测的分子（通常是某些DNA或蛋白质分子）宽度大约为十亿分之一米，因此它们产生的电信号非常微弱，需要专门的检测仪器。
“目前的医学诊断可能需要数百万个分子来检测疾病。但我们的研究证明，只需一个单分子就有可能获得有用的数据。”UCR生物工程助理教授、该研究成果通讯作者Kevin Freedman说，“这种灵敏度可以在疾病诊断中有效发挥作用。”
Freedman实验室的目标是制造出行为类似于大脑神经元并能保留记忆的电子探测器：具体来说，就是保留特定分子先前通过传感器的“记忆”。为此，UCR的科学家们开发出了一种新的电路模型，可以检测传感器行为的微小变化。
其电路的核心是一个纳米孔，其具有微小的开口，一次仅通过一个分子。生物样本与盐一起载入电路，其中，盐会解离成离子。
如果样品中的蛋白质或DNA分子穿过孔隙，就会减少离子通过的流量。Freedman说：“我们的检测器测量的是蛋白质或DNA分子通过，并阻止离子通过所造成的流量减少。”
Freedman认为，要分析离子产生的电信号，系统需要考量某些分子通过纳米孔时可能无法被检测到。
这一发现的与众不同之处在于，这种纳米孔不仅是一个传感器，其本身还能起到“滤波器”的作用——过滤其它分子，从而减少样品中其它分子产生的背景噪声，这些噪声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去除信号中有价值的信息。Freedman的方法能确保保留每个分子的信号，提高诊断应用的准确性。
Freedman设想利用这种器件开发一种小型便携式诊断试剂盒，其尺寸不超过一个USB的大小，可以在感染的最初阶段进行有效检测。目前的检测方法可能要在感染几天后才能检测出感染情况，而这种纳米孔传感器可以在24到48小时内检测出感染。这种能力对于快速传播的疾病提供了显著优势，进而能够更早地进行干预和治疗。
“这种纳米孔传感器提供了一种在症状出现及疾病扩散之前尽早发现感染的方法。”Freedman介绍说，“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。”
除诊断外，该器件还有望推动蛋白质的研究。蛋白质在细胞中发挥着重要作用，即使其结构发生微小变化也会影响健康。目前的诊断工具很难区分健康蛋白质和致病蛋白质，因为它们之间存在相似性。而这种新型纳米孔器件可以测量单个蛋白质之间的细微差别，从而帮助医生设计出更加个性化的治疗方案。
这项研究还使科学家们向单分子蛋白质测序更进一步，这正是生物学领域长期追求的目标。DNA测序揭示了基因指令，而蛋白质测序则让人们可以更深入了解这些指令是如何实时表达和修改的。这种洞察可以让人们更早地发现疾病，并为每位患者量身定制更精确的治疗方案。
Freedman表示：“蛋白质测序技术的发展势头很猛，因为它将为我们提供仅从DNA无法获得的洞察力。这种纳米孔检测技术使我们能够以前所未有的方式研究蛋白质。”
“关于影响健康和疾病的分子，我们还有很多东西要研究。”Freedman说，“基于纳米孔的生物传感器让我们离个性化医疗更近了一步。”
Freedman预计，这种纳米孔检测技术将很快成为研究和医疗工具的标准功能。随着这些器件的价格越来越低廉，越来越容易获得，它们可能会在家庭或诊所使用的日常诊断工具包中占据一席之地。
“我相信这种纳米孔检测技术将成为人们日常生活的一部分。”Freedman说，“这一发现可能会改变我们今后使用纳米孔传感器的方式。”
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01829-5
