理解人体内部发生的事情是医学的核心。几个世纪以来，科学家一直在寻找更好的方法来检测问题、疾病和从高血压到癌症等不同情况。
从温度计和血压袖带到血氧仪，一系列感应设备使得监测生命体征和检测潜在问题变得更加容易。现在，研究人员正在使用纳米技术和合成生物学将感应提升到分子水平：他们正在开发的生物传感器以前所未有的方式探索医学的边界。
“我们正在承担设计能传达特定信息的传感器的可能性。生物医学诊断正在广泛应用于许多领域。研究人员正在发现即使在单个细胞水平上也能检测生物标记物的方法。” 乔治亚理工学院生物医学工程系副教授Gabe Kwong说道。
这些新兴的系统将能够检测感染、检测癌症肿瘤，并发现其他慢性疾病的存在，这将使得早期干预和更好的治疗能够挽救更多的生命。加利福尼亚大学圣地亚哥分校生物电路研究所的研究员Robert Cooper表示：“生物传感是提高我们诊断能力的一种有前途的方法。”
新视角
使用生物标记物诊断和治疗疾病并不是一件新鲜事。从基本层面上讲，血液和尿液测试可以提供人体内发生的事件的见解。然而，尽管在过去一个世纪里医学取得了巨大进展，但在许多疾病的诊断和治疗方面仍然有很长的路要走。
问题的一部分在于检测特定分子或细胞的存在可能会非常困难。例如，标准的10毫升血液抽取可能只含有几个癌细胞标志物，在测试中很难检测出来。“在噪音中找到信号是困难的，特别是当癌症嵌入在肝脏或肺等复杂器官中时，” Kwong说道。
这对于早期发现以及治疗监测有着重要的意义。例如，免疫检查点阻断（ICB）抑制剂现在被用于治疗各种癌症。尽管它们在治疗恶性肿瘤方面比传统治疗方法更有效，但只有大约25%的患者从这些药物中获益，这些药物通过阻断抑制免疫系统攻击癌细胞的蛋白质发挥作用。更糟糕的是，许多进展只是暂时的。
因此，研究人员正在专注于开发一种更高级别的新型生物传感器和相关的治疗方法，使用益生菌、合成生物学和特定基因编辑工具比如CRISPR来设计有机和无机生物标记物。 “可以通过工程化的方式，如细菌，来完成特定任务，” Cooper解释道。
“生物传感器能够检测微妙的化学反应并产生输出，无论是血糖水平还是肿瘤恶性程度，” Kwong说道。“身体在血液和尿液中脱落细胞，这些细胞可以表明癌细胞或其他病症的存在。目标是使用各种仪器检测这些生物标记物。”
拼尽全力
Kwong处于这一革命的前沿。他和乔治亚理工学院的研究团队已经开发了一种通过非侵入性尿液分析来检测ICB治疗是否奏效的合成生物传感器。这种技术避免了痛苦的活体组织检查或计算机断层扫描（CT），这些检查可能会产生不确定或误导性结果。相反，它依靠检测T细胞在服用ICB药物后释放的大量蛋白质。
纳米技术利用生物传感器与ICB药物结合。注射后，它们在人体内部移动到肿瘤部位，其中来自T细胞和肿瘤细胞的蛋白酶触发释放到尿液中的信号物质。在某些情况下，借助人工智能和机器学习技术，可以发现人类无法觉察的模式，从而确定患者是否对治疗作出反应。
“合成生物学使我们能够为高度特殊的需求定制传感器，”Kwong说道。而且，可以通过操纵材料的大小、形状、颜色和其他特性来实现不同的结果或测量不同的事物。“当你将不同材料缩小到10或100纳米时，你会看到不同的新性质。”这可能导致颜色或其他特性的变化，可以通过分析进行识别。
加州大学圣地亚哥分校和澳大利亚的科学家们也在推动生物传感的边界。他们使用被称为CATCH的基因交换技术来识别活体中结肠癌的存在。
“原型生物传感器将抗生素抗性作为输出打开，这是相当容易检测的，”Cooper说。“你在含有抗生素的培养皿上撒上样本，然后统计有多少细胞生长。”然而，在临床使用之前，他们计划将抗生素抗性替换为更安全的输出信号，例如在尿液中可检测到的荧光分子。
到目前为止，该团队已经成功在小鼠上测试了该技术，并希望在未来几年将其推广到人类身上。“它还为更高度定位的治疗方法打开了可能性，”Cooper说。
与此同时，康奈尔大学的一个团队开发了具有正电子发射断层扫描和光学成像对比的硅杂化纳米颗粒（’C-dots’）。哥伦比亚大学的一个团队则构建了可以定殖肿瘤的益生菌，从而使其更容易被检测到。该团队设计了基因电路，以实时感知和响应其环境的活细胞的行为。
传感器的成功
生物传感的未来看起来光明，尽管Kwon、Cooper等人表示，这项技术需要数年时间才能实现并对人类产生实际应用。“在这些技术在人类身上进行测试之前，有许多重要的问题需要解决。了解这些技术的工作原理以及在受控环境之外的安全性至关重要。”Cooper说。
Kwong表示，下一代纳米传感器和生物传感最终可以用于检测和治疗各种条件和疾病。“这项技术可以改变早期检测和预防医学，”他说。此外，生物传感还可以革新医学以外的领域，包括环境跟踪、农业和食品安全。
“我们正接近一个可能将细胞作为传感器的时代，以提供关于各种状况和疾病的早期信息，”Kwong总结道。“其结果将是更明智的决策和更健康的生活。”
Samuel Greengard是一位居住在美国俄勒冈州西林恩的作家和记者。