电化学纳米结构生物传感器，可在体内长期实时监测目标分子
2025-05-27 14:15:24   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

由于生物污染、探针降解和信号漂移等问题，开发能够长期在体内实时、连续检测特定分析物的生物传感器已被证明非常困难。

过去二十年来，研究人员一直在努力开发一种有效的生物传感器来实现上述目标，以测量我们体内的化学或生物反应，并将其测量结果作为体外可读的信号发送出去。现在，这些生物传感器已经能够实时检测药物等微小分子，但它们的工作时间很短。仍然没有一种可靠的生物传感器可以长时间监测我们体内的多种物质。

据麦姆斯咨询介绍，为了解决这一限制，美国斯坦福大学的研究人员设计了一种模块化生物传感器，称为血液原位跟踪稳定电化学纳米结构传感器（SENSBIT），将其直接植入活体大鼠的血管时，该系统可以保持长达一周的完整功能。

斯坦福大学研究团队已将该研究成果发表在Nature Biomedical Engineering期刊上，论文表明，该电化学纳米结构传感器可以连续跟踪药物浓度曲线。并且，研究团队在活体大鼠模型和人血清中都获得了最大的信号功效。

从肠道功能获得灵感

过去十年中，斯坦福大学研究团队设计了一种分子开关，可以与体内感兴趣的小分子结合，提供可读的信号输出，以连续测量分子的浓度。由于人体的自然免疫反应，这些开关本身很容易降解。

为了帮助防止这个问题，在他们过去的研究基础上，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得以首次测量活体大鼠肿瘤内的药物水平。尽管如此，由于免疫系统的攻击，这项技术仍然不能在生物体内持续工作足够长的时间。

“因此，我们需要设计一种材料系统，可以在保护分子开关的同时感知目标。”该论文的第一作者Yihang Chen说。

Chen和他的团队从人类肠道中获得灵感，设计了SENSBIT系统来模仿肠道的自然防御。就像肠壁上的微绒毛一样，传感器的3D纳米多孔金表面可以保护其敏感元件免受干扰，而模仿肠道粘膜的保护涂层有助于防止降解。这种生物灵感的设计，使SENSBIT即使连续暴露于活体动物体内流动的血液多天后也能保持稳定和灵敏。

这种仿生多组分传感器具有3D双连续纳米孔结构、聚合物涂层和适配体开关的分层纳米生物界面设计，在复杂的生物环境中平衡了小分子传感和表面保护。

在测试SENSBIT时，Chen团队发现它在未稀释的人血清（细胞和凝血因子被去除后剩余的血液部分）中一个月后保留了70%以上的信号，并在活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，这种类型的器件此前在静脉内暴露的极限是11小时，而SENSBIT持续了7天。因此，SENSBIT可以在复杂的生物液体中提供可靠的实时分子监测。

理解生物学的新方法

我们的身体拥有非常协调的功能，当病毒、细菌或任何其它入侵试图破坏我们的自然系统时知道该怎么响应。如果我们能够理解身体是如何利用这些分子进行协调的，就有可能在症状出现之前发现感染。

尽管SENSBIT系统并不是连续监测分子的唯一方法，但在血液中测试，它似乎比所有类似器件都要好。

这种连续分子监测可以为新的医学范式打开新大门，由此，我们不仅可以更早地发现疾病，而且还有望根据监测实时调整治疗方法。

“我们的工作为未来的实时监测奠定了基础。”Chen说，“我们很高兴有机会推动前沿的发展。”

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01389-6

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》