加州大學洛杉磯分校開發(fā)的 TMR 傳感器可實時監(jiān)測多種代謝物。插圖：光譜圖像顯示驅動代謝物傳感反應的電極分子。圖片來源：程軒冰、李宗琦 / Emaminejad 實驗室

生命的基本功能由一組稱為代謝物的化合物驅動，這些化合物參與所有自然過程，包括產生能量、調節(jié)細胞活動和維持身體系統(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、治療反應以及生物系統(tǒng)的復雜運作提供了窗口。

然而，現(xiàn)有代謝物檢測方法存在不足。大多數(shù)依賴資源密集型實驗室檢測，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。

加州大學洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所（CNSI）領導的跨學科研究團隊可能已突破這些限制。在《美國國家科學院院刊》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，能夠連續(xù)可靠地同時測量多種代謝物。

"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)測不同類別的代謝物，" 論文通訊作者、加州大學洛杉磯分校 Samueli 工程學院電子與計算機工程副教授、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，同時確保在體內可靠運行的傳感器平臺 —— 為此，我們借鑒了自然代謝過程。"

他認為該技術并非替代質譜分析等現(xiàn)有實驗室方法，而是作為互補工具�？茖W家可繼續(xù)使用質譜儀識別潛在目標化合物，再利用傳感器在活體系統(tǒng)中進行監(jiān)測。

傳感器構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實驗室，利用酶和稱為輔助因子的分子助手進行模擬人體代謝過程的反應。根據(jù)目標代謝物不同，傳感器可直接檢測或通過一系列中間酶促反應將其轉化為可檢測形式。

檢測通過特異性催化電子交換反應的酶實現(xiàn)。在電極表面，這些反應產生可測量的電流以確定代謝物水平。同時，其他酶協(xié)同工作，通過中和干擾分子防止假信號，類似人體酶對物質的解毒作用。

為體現(xiàn)這種串聯(lián)與并行反應能力，研究團隊將其命名為 "串聯(lián)代謝反應傳感器"（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，我們的電極可復制這些復雜反應，實現(xiàn)比傳統(tǒng)傳感器更廣泛的代謝物檢測。"

傳統(tǒng)酶傳感器多支持無輔助因子的單步反應。通過整合輔助因子，TMR 傳感器可直接檢測 800 多種代謝物，只需一步轉化即可覆蓋體內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，" 論文共同第一作者、Emaminejad 實驗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，反應可在低電壓下高效進行，減少副反應同時最大化酶活性利用率，從而在廣泛應用中實現(xiàn)極高信噪比。"

在系列實驗中，研究人員展示了該技術連續(xù)高靈敏度測量 12 種臨床重要代謝物的能力。團隊在癲癇治療患者和類似糖尿病并發(fā)癥個體的汗液與唾液樣本中檢測代謝物，并發(fā)現(xiàn)一種腸道細菌衍生代謝物在腦部蓄積可能引發(fā)神經疾病。

該傳感器在不同生物環(huán)境中追蹤廣泛代謝物的能力，為人類健康和科學發(fā)現(xiàn)開辟了新途徑。通過實現(xiàn)早期精準診斷和個性化治療，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)化健身與運動表現(xiàn)。

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

超越醫(yī)學領域，這些傳感器可通過持續(xù)反饋提升工業(yè)生產效率，優(yōu)化用于生產藥物、生物燃料和其他有價值化學品的工程微生物的產量。

在眾多可能性中，Emaminejad 對該技術揭示腸 - 腦連接的潛力尤為興奮 —— 這是生物醫(yī)學研究的新興前沿。團隊目前正致力于調整平臺以解決未解科研問題并探索新的診斷機遇。

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

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