纳米孔技术：诊断疾病的未来
加州大学河滨分校的科学家们开发了一种基于纳米孔的技术，可以比现有的检测方法更快、更精确地诊断疾病，其原理是捕捉单个分子的信号。
科学家们想要检测的分子，通常是特定的 DNA 或蛋白质分子，其宽度约为一纳米，因此它们产生的电信号非常微弱，需要专门的检测仪器才能捕捉到。
“目前，我们需要数百万个分子才能检测到疾病。我们正在证明，从单个分子中获取有用的数据是可能的，”加州大学河滨分校生物工程助理教授、该工具在《自然纳米技术》杂志上发表的论文的主要作者凯文·弗里德曼说。“这种灵敏度水平可以真正改变疾病诊断。”
弗里德曼的实验室致力于构建像大脑中的神经元一样的电子探测器，能够保留记忆：具体来说，是先前通过传感器的分子的记忆。为此，加州大学河滨分校的科学家们开发了一种新的电路模型，该模型考虑了传感器行为的微小变化。
他们电路的核心是一个纳米孔——一个微小的开口，分子可以一次通过一个。生物样本与盐一起加载到电路中，盐会解离成离子。
如果来自样本的蛋白质或 DNA 分子通过孔，就会减少可以穿过的离子的流动。“我们的探测器测量的是蛋白质或 DNA 片段通过并阻挡离子通道时造成的流量减少，”弗里德曼说。
为了分析离子产生的电信号，弗里德曼建议，该系统需要考虑一些分子可能在通过纳米孔时未被检测到的可能性。
这项发现的独特之处在于，纳米孔不仅仅是一个传感器，它本身就充当过滤器，减少了来自样本中其他分子的背景噪声，这些噪声可能会掩盖关键信号。
纳米孔传感器如何改变诊断
传统的传感器需要外部过滤器来去除不需要的信号，而这些过滤器可能会意外地从样本中去除有价值的信息。弗里德曼的方法确保了每个分子的信号都被保留，从而提高了诊断应用的准确性。
CP 和电荷存储模型。a，通过数值求解泊松-能斯特-普朗克方程和纳维-斯托克斯方程获得的 +200 mV 和 -200 mV 下纳米吸管内部离子的平均浓度。模拟中使用的体积离子浓度为 10 mM，离子特性为 K+ 和 Cl-。孔的表面电荷为 -10 mC m-2。b，数值模拟预测的 CP 因子随离子浓度的变化。c，d，传统电容器的示意图，其中电荷在空间上分离，并在电压变化期间放电。e，f，离子负电容器的示意图，其中电荷共定位，但仍可以在电压变化时放电。Q 与 V 曲线的负斜率是负电容的特征。来源：Nature Nanotechnology (2025)。DOI: 10.1038/s41565-024-01829-5
弗里德曼设想，该设备可以用于开发一种小型便携式诊断工具——不比 U 盘大——可以检测早期感染。虽然今天的检测方法可能在接触后几天才能检测到感染，但纳米孔传感器可以在 24 到 48 小时内检测到感染。这种能力对于快速传播的疾病来说是一个巨大的优势，可以实现更早的干预和治疗。
“纳米孔提供了一种在症状出现和疾病传播之前更早地发现感染的方法，”弗里德曼说。“这种工具可以使早期诊断对病毒感染和慢性疾病都更加实用。”
除了诊断之外，该设备还有望推动蛋白质研究的发展。蛋白质在细胞中发挥着至关重要的作用，即使它们的结构发生微小的变化也会影响健康。目前的诊断工具难以区分健康蛋白质和致病蛋白质，因为它们非常相似。然而，纳米孔设备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案。
这项研究也让科学家们更接近实现单分子蛋白质测序，这是生物学领域长期以来的目标。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在实时表达和修改的见解。这种更深入的理解可以导致更早地发现疾病，以及针对每个患者量身定制的更精确的治疗方法。
“人们正在大力发展蛋白质测序，因为它将为我们提供从 DNA 中无法获得的见解，”弗里德曼说。“纳米孔使我们能够以以前无法实现的方式研究蛋白质。”
纳米孔是弗里德曼从美国国立人类基因组研究所获得的资助研究项目的重点，他的团队将在该项目中尝试对单个蛋白质进行测序。这项工作建立在弗里德曼之前关于改进纳米孔用于检测分子、病毒和其他纳米级实体的研究基础之上。他认为这些进步是分子诊断和生物学研究未来发展方向的标志。
“我们还有很多关于驱动健康和疾病的分子需要了解，”弗里德曼说。“这项工具让我们离个性化医疗更近了一步。”
弗里德曼预计，纳米孔技术很快将成为研究和医疗工具的标准配置。随着设备变得更加实惠和易于获得，它们可以在家庭或诊所使用的日常诊断工具中找到一席之地。
“我相信纳米孔将成为日常生活的一部分，”弗里德曼说。“这项发现可能会改变我们未来使用它们的方式。”
关于加州大学河滨分校
加州大学河滨分校是一所博士研究型大学，是探索对内陆南加州、加州和世界各地社区至关重要的问题的活生生的实验室。加州大学河滨分校的招生人数超过 26,000 名学生，反映了加州多元的文化。该校于 2013 年开设了一所医学院，并通过加州大学河滨分校棕榈泉中心深入到了科切拉谷。该校对美国经济的年度影响超过 27 亿元。如需了解更多信息，请访问 www.ucr.edu。
