研究团队开发能够单分子精确检测生物标志物的纳米传感器

虽然钓鱼是许多人的流行爱好，但钓鱼也是一种充满不确定性的消遣。每次你有什么东西在线上，你永远无法完全确定你钓到了什么类型的鱼，直到你把它从水里拉出来。以类似的方式，科学家在血液等生物流体中“钓鱼”生物标志物 - 其医疗保健应用包括癌症存在的信号的分子 - 也可能遇到不可预测性。在数千人的海洋中寻找特定的蛋白质生物标志物就像试图在浩瀚的海洋中捕捉特定的鱼类一样。

幸运的是，来自雪城大学艺术与科学学院(A&S)、纽约州立大学上州医科大学、Ichor Therapeutics和克拉克森大学的一组研究人员设计了一种微小的纳米级传感器，能够以单分子精度检测样品中的蛋白质生物标志物。一种微小的蛋白质粘合剂恰如其分地被称为“钩和诱饵”，融合到细胞膜上形成的一个小孔(称为纳米孔)，该孔允许离子溶液流过它。当传感器识别出目标分子时，离子流会发生变化。这种流量变化充当来自传感器的信号，表明已找到生物标志物。

“这些纳米孔配备了钩子，可以从溶液中提取某些蛋白质生物标志物，”A&S物理学教授Liviu Movileanu说，他与博士后研究员Mohammad Ahmad共同撰写了这项研究。“通过快速准确地从溶液中捕获它们，我们可以更好地识别和量化与各种血液恶性肿瘤和实体瘤相关的蛋白质生物标志物。

该团队的最新研究发表在Nature Communications上，解决了以前在使这项技术可推广化方面存在的挑战。他们的新发现形成了一种可应用于各种蛋白质靶标的传感器设计架构。

结合创新技术

该团队首次将纳米孔技术与抗体模拟技术相结合 - 人工设计的蛋白质支架与特定的生物标志物结合并相互作用，表现得像抗体。体内细胞设计自己的抗体，与不需要的物质结合并消除不需要的物质。在治疗方面，科学家设计小蛋白质来穿透细胞并刺激针对特定病原体(如病毒或细菌)的抗体的产生。

“研究人员使用来自大自然的既定支架设计支架，并使用进化诱变来适应它们 - 他们扫描数十亿个DNA突变，直到他们找到一些与特定蛋白质强烈相互作用，”Movileanu说。“创建高度特异性的蛋白质检测技术将满足这些需求，并加速发现新的生物标志物，对病理状况的进展具有潜在后果。

根据Movileanu的说法，除了在干净的溶液中工作外，该传感器在含有多种抗体的复杂生物流体(如血清)中也非常有效。

“从本质上讲，你有一个非常特定的钩子，它针对一种非常特定的蛋白质，”他解释说。“由于信号编码的确切蛋白质是你靶向的，所以这种技术没有假阳性，这使得它可用于生物医学诊断。

为了验证他们的发现，研究小组使用血清样本测试了他们的假设。通过他们的技术，他们能够识别和量化表皮生长因子受体(EGFR)，这是各种癌症中的蛋白质生物标志物。此外，使用其他生物物理技术对传感器进行了多次校准。

处于诊断的最前沿

虽然他们的论文提供了一个概念原型，但Movileanu说该项目为广泛的应用铺平了道路。例如，通过将传感器集成到纳流体装置中，该技术将使科学家能够同时测试标本中的许多不同的生物标志物，为复杂生物流体中的生物标志物检测提供基本基础。

“在诊断癌症时，医学的未来不会那么依赖成像和活检，”Movileanu说。“相反，研究人员将使用纳米传感器技术，就像我们在实验室中开发的那样，测试血液样本中是否存在与不同癌症相关的各种生物标志物。这项研究对预后、诊断和治疗的未来至关重要。

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