加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)的 TMR 傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種代謝物。插圖：光譜圖像顯示驅(qū)動(dòng)代謝物傳感反應(yīng)的電極分子。圖片來源：程軒冰、李宗琦 / Emaminejad 實(shí)驗(yàn)室

生命的基本功能由一組稱為代謝物的化合物驅(qū)動(dòng)，這些化合物參與所有自然過程，包括產(chǎn)生能量、調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)和維持身體系統(tǒng)平衡。追蹤這些分子為了解多種疾病的發(fā)生與狀態(tài)、整體健康狀況、治療反應(yīng)以及生物系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)作提供了窗口。

然而，現(xiàn)有代謝物檢測(cè)方法存在不足。大多數(shù)依賴資源密集型實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，僅能從孤立樣本中獲取短暫快照。少數(shù)可連續(xù)追蹤代謝物的傳感器也主要局限于血糖檢測(cè)。

加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所（CNSI）領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)可能已突破這些限制。在《美國國家科學(xué)院院刊》最新發(fā)表的研究中，研究人員展示了一種基于自然生化過程的傳感器技術(shù)，能夠連續(xù)可靠地同時(shí)測(cè)量多種代謝物。

"要理解代謝物如何影響生物過程或反映健康狀況，我們需要根據(jù)特定研究興趣監(jiān)測(cè)不同類別的代謝物，" 論文通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校 Samueli 工程學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程副教授、CNSI 成員 Sam Emaminejad 表示，"因此我們致力于開發(fā)一種可適用于廣泛代謝物，同時(shí)確保在體內(nèi)可靠運(yùn)行的傳感器平臺(tái) —— 為此，我們借鑒了自然代謝過程。"

他認(rèn)為該技術(shù)并非替代質(zhì)譜分析等現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室方法，而是作為互補(bǔ)工具�？茖W(xué)家可繼續(xù)使用質(zhì)譜儀識(shí)別潛在目標(biāo)化合物，再利用傳感器在活體系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

傳感器構(gòu)建于單壁碳納米管制成的電極之上。這些電極如同微型生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，利用酶和稱為輔助因子的分子助手進(jìn)行模擬人體代謝過程的反應(yīng)。根據(jù)目標(biāo)代謝物不同，傳感器可直接檢測(cè)或通過一系列中間酶促反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)形式。

檢測(cè)通過特異性催化電子交換反應(yīng)的酶實(shí)現(xiàn)。在電極表面，這些反應(yīng)產(chǎn)生可測(cè)量的電流以確定代謝物水平。同時(shí)，其他酶協(xié)同工作，通過中和干擾分子防止假信號(hào)，類似人體酶對(duì)物質(zhì)的解毒作用。

為體現(xiàn)這種串聯(lián)與并行反應(yīng)能力，研究團(tuán)隊(duì)將其命名為 "串聯(lián)代謝反應(yīng)傳感器"（TMR 傳感器）。

"數(shù)十年研究已繪制出連接代謝物與特定酶促反應(yīng)的自然代謝通路，"Emaminejad 指出，"通過為不同功能適配精心挑選的酶和輔助因子，我們的電極可復(fù)制這些復(fù)雜反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)傳感器更廣泛的代謝物檢測(cè)。"

傳統(tǒng)酶?jìng)鞲衅鞫嘀С譄o輔助因子的單步反應(yīng)。通過整合輔助因子，TMR 傳感器可直接檢測(cè) 800 多種代謝物，只需一步轉(zhuǎn)化即可覆蓋體內(nèi)三分之二以上的代謝物。

"由單壁碳納米管制成的 TMR 電極具有高性能生物傳感的特殊優(yōu)勢(shì)，" 論文共同第一作者、Emaminejad 實(shí)驗(yàn)室博士后程軒冰表示，"它提供了裝載酶和輔助因子的巨大活性面積，反應(yīng)可在低電壓下高效進(jìn)行，減少副反應(yīng)同時(shí)最大化酶活性利用率，從而在廣泛應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)極高信噪比。"

在系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員展示了該技術(shù)連續(xù)高靈敏度測(cè)量 12 種臨床重要代謝物的能力。團(tuán)隊(duì)在癲癇治療患者和類似糖尿病并發(fā)癥個(gè)體的汗液與唾液樣本中檢測(cè)代謝物，并發(fā)現(xiàn)一種腸道細(xì)菌衍生代謝物在腦部蓄積可能引發(fā)神經(jīng)疾病。

該傳感器在不同生物環(huán)境中追蹤廣泛代謝物的能力，為人類健康和科學(xué)發(fā)現(xiàn)開辟了新途徑。通過實(shí)現(xiàn)早期精準(zhǔn)診斷和個(gè)性化治療，它可能改變代謝及心血管疾病的治療方式。該技術(shù)還可通過追蹤不同條件下身體代謝能量的方式優(yōu)化健身與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

在藥物開發(fā)領(lǐng)域，傳感器能實(shí)時(shí)揭示療法對(duì)代謝通路的影響 —— 從評(píng)估通過抑制酶活性阻止腫瘤生長的抗癌藥物，到追蹤細(xì)菌代謝物生成以優(yōu)化抗生素使用。

超越醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這些傳感器可通過持續(xù)反饋提升工業(yè)生產(chǎn)效率，優(yōu)化用于生產(chǎn)藥物、生物燃料和其他有價(jià)值化學(xué)品的工程微生物的產(chǎn)量。

在眾多可能性中，Emaminejad 對(duì)該技術(shù)揭示腸 - 腦連接的潛力尤為興奮 —— 這是生物醫(yī)學(xué)研究的新興前沿。團(tuán)隊(duì)目前正致力于調(diào)整平臺(tái)以解決未解科研問題并探索新的診斷機(jī)遇。

"理解腸道與大腦相互作用的一大挑戰(zhàn)在于捕捉動(dòng)態(tài)變化，" 他表示，"能夠連續(xù)追蹤代謝物而非依賴單次實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的工具，或?qū)�幫助揭示這種雙向交流。我們終于有能力驗(yàn)證那些因缺乏關(guān)鍵數(shù)據(jù)而擱置的重要假設(shè) —— 助力我們更深入理解腸道活動(dòng)如何影響整體健康，從引發(fā)炎癥、影響心理健康到塑造慢性病進(jìn)程。"

更多信息：程軒冰等，基于串聯(lián)代謝反應(yīng)的傳感器開啟體內(nèi)代謝組學(xué)研究，《美國國家科學(xué)院院刊》（2025）。DOI: 10.1073/pnas.2425526122