在一项新的研究中，来自美国西北大学的研究人员设计了一种创新的可植入设备，能够实时监测体内蛋白水平的变化。这种设备灵感来源于自然现象——摇动苹果树让成熟的果实落下。研究人员巧妙地将这一概念应用到了生物传感领域，通过一种由粘附在蛋白上的DNA链组成的装置，“抖落”这些蛋白，然后抓住新的蛋白进行测量。这项技术为跟踪炎症等关键蛋白标志物提供了前所未有的能力。
相关研究结果发表在2024年12月6日的Science期刊上，论文标题为“Active-reset protein sensors enable continuous in vivo monitoring of inflammation”。该设备的成功开发意味着我们可以像连续血糖监测仪一样，实时了解体内的蛋白波动情况。
论文通讯作者、西北大学的Shana O. Kelley教授说：“就像你可以在手臂上佩戴一个设备来监测血糖水平一样，我们现在也能实时观察体内炎症相关的蛋白变化。”
Kelley教授解释道：“我们需要跟踪这些波动，以便全面了解体内发生的情况。这是一种全新的能力——能够实时观察炎症。我们现在开始探索大量的应用。”她提到，虽然已经有许多传感器可以连续检测小分子如葡萄糖或电解质，但设计能够检测更大、更复杂的蛋白分子的传感器更具挑战性。传统的DNA受体一旦与目标蛋白结合，就会非常牢固，有时甚至可以保持超过20个小时，这使得它们无法捕捉到血液中的实时变化。
灵感迸发
为了克服这个问题，论文第一作者、Kelley实验室博士后研究员Hossein Zargartalebi从自然界获得灵感。他回忆起摇动苹果树的情景，成熟苹果会因为振动而掉落。
Zargartalebi想到，如果能“摇动”传感器上的DNA受体，使捕获的蛋白脱落，那将会怎样？于是他在传感器上添加了一个交流电位电极，使其产生振荡效果。“当施加交变电场时，球形摆状的传感器来回摆动，在短短一分钟内释放捕获的蛋白并捕获其他蛋白。”Kelley教授称赞道，“这是一个简单而优雅的解决方案。”
这种纳米级传感器看起来像一排排的小球摆，每个摆都由一条双链DNA组成。DNA链的一端连接到电极，另一端则携带一段能够特异性结合目标蛋白的DNA片段。当电极施加交变电场时，这些球形摆就开始摆动，从而实现了快速的蛋白释放和重新捕获。Zargartalebi说：“我们的传感器可以在每次测量周期后‘释放’它们捕获的蛋白，就像树木反复生长和释放果实一样，实现体内连续、实时的监测。”
频率对二茂铁峰的影响
放在皮肤下
在实验室验证了设备的有效性后，研究人员进一步测试了它在活体动物中的表现。他们构建了一种微小的可植入设备，其电极和传感器位于一根仅有三根人类头发宽度的细微针内。这个微型设备类似于连续葡萄糖监测仪，放置在皮肤表面，而微针则刺入皮肤以采集液体样本。
研究人员选择了两种与炎症相关的细胞因子作为目标蛋白，并成功地在糖尿病大鼠模型中测量了这些蛋白浓度的变化。当大鼠禁食或接受胰岛素治疗时，传感器准确地追踪到了细胞因子水平的下降；而在注射刺激免疫系统的物质后，传感器也迅速捕捉到了炎症细胞因子水平的上升。此外，传感器还灵敏地检测到了每次胰岛素注射时因微针刺入皮肤引发的轻微炎症反应。
Kelley教授展望未来时表示：“尽管目前我们在测量炎症方面取得了很好的成果，但我认为这项技术的应用远不止于此。例如，心力衰竭患者可以通过持续监测B型利钠肽（BNP）水平来更好地管理病情。如果患者感觉不适，医生可以根据实时数据调整药物剂量，防止症状恶化。这可能是最终的预防措施之一，有望像今天的连续血糖监测一样，为许多患者带来积极的影响。”
参考资料：
H. Zargartalebi et al. Active-reset protein sensors enable continuous in vivo monitoring of inflammation. Science, 2024, doi:10.1126/science.adn2600.
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