国际研究团队开发了一种基于碳纳米管的新型荧光纳米传感器，能够快速检测与肠道健康和疾病相关的关键生物标志物。这一重要进展可能最终带来更快、更便捷的肠道健康检测方法。
吲哚-3-丙酸(IPA)是由肠道细菌在分解膳食色氨酸(一种蛋白质合成必需的氨基酸)过程中产生的代谢物。它在调节炎症和氧化应激方面发挥重要作用，且与炎症性肠病(IBD)、2型糖尿病和肝病等疾病相关。然而，目前的检测方法依赖于传统的基于质谱分析的技术，成本高且耗时长，不适合常规筛查或床边检测使用。
这个新平台解决了肠道代谢物传感领域长期存在的空白。该传感器采用基于荧光的方法，可在几分钟内产生快速光学读数，提供比传统分析技术明显更快捷、更便捷的替代方案。它表现出高选择性，能够区分IPA与肠道中常见的密切相关的代谢物，使传感器即使在血清等复杂的生物环境中也能进行准确检测。
"这是我们首次能够使用光学纳米传感器直接、快速地测量生物样本中的IPA水平，"共同第一作者、新加坡南洋理工大学国立教育学院(NIE)助理教授Mervin Ang表示，他在研究启动时也是新加坡-麻省理工学院科研联盟(SMART)下设的"颠覆性和可持续农业精准技术"(DiSTAP)跨学科研究小组的联合科学主任。"这种摒弃传统质谱分析的创新方法，可为在现实环境中更快、更便捷地监测肠道健康铺平道路。"
这项最新突破发表在研究团队的开放获取论文《用于肠道健康监测的吲哚-3-丙酸荧光纳米传感器》中，刊登于《高级医疗材料》期刊。该工作由NIE、麻省理工学院和SMART的研究人员主导，并与新加坡国立大学医院(NUH)和新加坡国立大学医学部(Yong Loo Lin医学院)的临床医生合作完成。
从监测植物到感知人类健康
这种新型纳米传感器建立在SMART DiSTAP对纳米和光学传感器技术研究的基础上。该技术最初开发用于监测植物健康——包括植物生长信号和应激反应——现已通过重新设计纳米和光学传感平台以检测IPA，适应了人类健康应用。
"这项工作基于SMART DiSTAP的分子识别技术。我们曾用这类技术测量农业中活体植物的激素和代谢物，现在已将其应用于人类消化系统。我们成功解决了肠道健康领域的这一长期挑战，"麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、SMART DiSTAP首席研究员、论文通讯作者Michael Strano表示。
"通过将我们的分子识别聚焦于这一重要的肠道健康生物标志物，我们展示了一种强大的新工具，有朝一日可能实现主动式、个性化的医疗保健。该工具有望提供肠道健康的即时洞察，或像IBD等慢性疾病的状况评估。"
用于快速检测和未来监测的双模平台
该技术的一个关键创新是其双模传感能力。
纳米传感器同时在可见荧光模式和近红外模式下运行。可见荧光模式可对生物样本进行快速、低成本、高通量的筛查；而近红外模式的波长可以更深入地穿透组织。由碳纳米管实现的近红外能力，使该技术能够适应体内应用，并集成到可用于家庭检测或连续监测的可穿戴设备中。例如，这可以帮助患有IBD等慢性疾病的患者更早发现病情发作，并以更大的自主性管理健康。
这种灵活性使该平台能够在各种环境中使用，从实验室测试到医院床边应用，以及用于实时健康监测的可穿戴设备。
在患者样本中得到验证
为评估其临床相关性，研究团队与NUH临床医生合作，在125个涵盖多个患者群体（包括健康个体和患有胃肠道疾病的患者）的人类血浆样本上测试了该纳米传感器。
研究发现，健康个体与患有炎症性肠病（包括克罗恩病和溃疡性结肠炎）的患者之间IPA水平存在显著差异。活动性肠道炎症患者表现出较低的IPA水平——这与既定的临床发现一致。
"从临床角度看，拥有一种快速且复杂度最低的方式来评估IPA等代谢物水平可能非常有价值，"NUH医学部胃肠病学和肝病学部高级顾问、NUS医学部兼职副教授、该研究的共同第一作者Jonathan Lee表示，"它有潜力补充现有诊断工具，并为炎症性肠病患者提供额外的洞察。"
更快、更便捷的肠道健康检测
除了实验室应用，这项研究还可能为更快、更便捷的肠道健康检测铺平道路。新纳米传感器可以取代复杂耗时的实验室方法，在诊所进行快速筛查，甚至实现便携式或家庭检测，帮助更早发现肠道疾病并更轻松地监测治疗进展。
与专注于识别存在哪些细菌的传统微生物组测试不同，这种纳米传感器测量的是这些微生物正在积极产生的物质，提供更直接、功能性更强的肠道健康快照。直接测量代谢物输出，而不仅仅是细菌组成，可以为整体健康提供更有意义的洞察，并支持更个性化的医疗保健方法。
除了临床诊断外，该技术还可用于跟踪饮食干预的即时效果。用户可以快速看到特定食物或益生菌是否成功地为肠道细菌提供能量，以产生IPA等抗炎分子。该传感器在血清和血浆等复杂生物液体中也表现出可靠的性能，这是迈向实际临床应用和进一步转化应用的重要一步。
对于制药和治疗研究，纳米传感器可用于进行快速功能测试，以确定新疗法或益生菌的疗效。通过提供IPA水平的即时读数，该平台可使研究人员实时证明其治疗方法在生物活性和有效性方面，显著加速药物筛选和剂量优化过程。
迈向床边诊断，以及更远
"从实验室发现到床边临床工具的过渡已经开始，"Ang表示。"通过进一步开发，该平台有可能转化为临床应用，并在长期内适应为用于常规健康监测的便携式平台。"
展望未来，研究团队已获得"创新到初创企业创新资助"，以孵化一家新加坡准初创企业，推进验证和开发。重点将是将传感器转化为床边临床诊断工具，并旨在扩展平台以同时检测多种肠道代谢物，并采用AI驱动的信号解卷积，从而实现更准确、全面和个性化的肠道健康监测。
未来的发展也可能探索将其集成到可穿戴设备、微针系统或微流体平台中，用于连续实时传感。
该研究得到了Intra-CREATE种子合作资助的支持，在SMART进行的研究得到了新加坡国家研究基金会的"研究卓越与技术企业校园"(CREATE)项目的资助。
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