一种新型传感器可能很快会改变医生对体内状况的理解。斯坦福大学的科学家们开发了一种可以在活体血管中连续工作长达七天的生物传感器。
这种被称为SENSBIT（血液原位跟踪稳定电化学纳米结构传感器）的创新，是迈向未来实时健康监测的重要一步。
生物传感器是一种可以检测体内化学或生物信号并将其转化为可读数据的设备。它们有朝一日可能使我们能够早期检测癌症、精细调整药物剂量或在症状出现之前发现感染。直到现在，生物传感器在体内只能短时间工作。但SENSBIT改变了这一点。
“这项工作始于十多年前，我们一直在稳步推进这项技术，”参与该项目的斯坦福教授Tom Soh说。“这种全血传感器寿命比现有技术提高了几个数量级，是下一代生物传感器的巨大进步。”
仿生工程
为了克服传感器在体内降解的问题，斯坦福团队转向生物学寻找答案。解决方案来自人体肠道。在肠道中，微绒毛和黏液涂层保护重要的受体免受损害和干扰，同时仍允许它们检测关键信号。
“我们需要一种既能感知目标又能保护分子开关的材料系统，这时我想到，等等，生物学是如何解决这个问题的？”该研究的主要作者陈一航说。
通过模仿这种自然设计，研究人员构建了具有多孔金表面的SENSBIT，类似于肠道微绒毛的结构。他们在《自然生物医学工程》杂志上发表的研究中，用一种模仿保护性黏液层的聚合物涂覆它，以屏蔽免疫攻击和通常会破坏此类设备的蛋白质积累。
这种多层结构使得传感器在复杂环境如未经稀释的人血清中保持功能长达一个月。当植入活体大鼠体内时，它持续了一周——比任何类似设备在血液中的测试时间长15倍以上。在血液中七天后，它保持了超过60%的原始信号，在血清中30天后，保持了超过70%的原始信号。
检测正确信号
SENSBIT的核心是一种特殊的分子开关，称为适配体。适配体是DNA或RNA链，它们以特定方式折叠以识别目标分子。当适配体与药物等分子结合时，它会改变形状并发送一个小的电信号。这种变化被捕捉并记录下来，使医生能够随时跟踪血液中的药物含量。
这个系统快速、特异，并且甚至在检测到信号后可以自我重置。这意味着它可以反复测量药物水平而无需更换。
在测试中，SENSBIT成功监测了卡那霉素（一种常见抗生素）的水平。研究人员可以在大鼠血液中连续四天实时观察药物水平的升降。这种数据可以帮助医生更好地了解不同患者中药物的行为，并即时调整剂量。
“我相信我们的工作为这一未来奠定了基础，”陈一航说。“我受到推动这些边界向前发展的机会的激励。”
克服过去的限制
构建一个持久的血液传感器并不容易。血液是一个充满酶、细胞和蛋白质的恶劣环境，这些物质可能会堵塞或损坏微型传感器。直到现在，最好的类似传感器在血液中只能工作11小时。
SENSBIT的设计旨在应对这些问题。其结构阻挡了大蛋白，但仍让小目标分子进入。使用纳米多孔金和超支化聚合物涂层有助于限制信号漂移和表面损伤。
与平面金传感器相比，SENSBIT在压力下表现更好。在一个测试中，未受保护的传感器在30分钟内失去了超过85%的信号。SENSBIT在同一条件下损失不到2%。这种韧性对于实际医疗用途来说可能是颠覆性的。
斯坦福团队还展示了SENSBIT可以与其他分子（如化疗药物和ATP）一起工作。然而，设计可能无法检测非常大的分子，如万古霉素。尽管如此，能够准确且长时间地追踪许多小分子开辟了新的可能性。
实时健康监测的未来
大多数血液测试只提供一个数据点。它们需要针头、实验室和等待时间。但像SENSBIT这样的传感器可以提供数天甚至数周的持续数据。这可以帮助医生更早地发现健康变化，或者以今天不可能的方式个性化护理。
从癌症到感染再到药物治疗，潜在用途广泛。可穿戴或可植入生物传感器有一天可以帮助管理慢性疾病、监测术后恢复或跟踪新药对身体的影响。
目前，该设备仅在动物身上进行了测试。但结果很强劲，研究指向了一个未来，即我们的健康可以像步数或心率一样轻松地进行跟踪。
斯坦福大学的SENSBIT展示了如何将生物学与先进工程相结合，帮助解决医学中的一些难题。它为我们展示了一个世界，在这个世界里，疾病可以更早地被发现，治疗更加精确，健康可以从内部持续监测。
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