仿生传感器可实时监测人体新陈代谢情况

TMR 传感器能够实时监测多种代谢物；光谱图像显示驱动代谢物传感反应的电极上分子（插图） 程宣兵和李宗琪/Emaminejad Lab

这项技术可以开辟检测和管理疾病和病症的新方法，跟踪患者对治疗的反应，并加速更有效药物的开发。特别有趣的是传感器如何跟踪自然生化过程，例如分子在我们体内转化和相互作用的方式。

加州大学洛杉矶分校的加利福尼亚纳米系统研究所的研究团队将其发明称为“串联代谢反应传感器”，简称 TMR 传感器。它们的工作原理类似于微型化学实验室，用于监测代谢物。这些传感器安装在由极小的单壁碳纳米管制成的微型电极上。科学家们将酶和辅助分子（称为辅因子）放在这些电极上，这些辅助分子有助于化学反应。

当特定代谢物（它们想要检测的分子）靠近传感器时，酶会引起化学反应。该反应对目标代谢物非常特定。有时，传感器可以通过此反应直接检测代谢物。其他时候，如果代谢物无法直接检测到，酶会先将其转化为另一种可检测到的分子。这种转化可以通过一系列步骤进行，就像体内的自然代谢途径一样。这种运行多个反应的能力就是它们被称为“串联代谢反应传感器”的原因。

这些反应的一个关键部分是电子交换。当酶作用于代谢物时，它们会导致电子移动。这些电子运动在碳纳米管表面产生电流。然后传感器测量该电流。电流量告诉科学家有多少代谢物存在。因此，电流越大意味着代谢物越多，电流越低意味着代谢物越少。

本质上，TMR 传感器利用自然界自身的化学反应（发生在微小的电表面上），将代谢物的存在转化为可测量的电信号。

通过转换步骤，这些传感器可以检测出人体产生的三分之二以上的不同代谢物。这可以让我们详细了解患者的状况以及他们对治疗的反应。

研究人员指出，这项技术可以帮助及早发现心脏病，并根据患者的代谢情况制定个性化治疗方案。它可以通过追踪运动员在压力下身体的能量代谢情况来优化运动员的身体素质。TMR 传感器还可以揭示正在研发的药物如何影响代谢途径，并指出优化其效果的方法。

上个月发表在《美国国家科学院院刊》上的这篇论文的资深作者萨姆·埃马明贾德 (Sam Emaminejad)表示，这可以帮助我们理解肠道和大脑之间复杂而神秘的联系。

“了解肠道和大脑如何相互影响的一个主要挑战是捕捉随时间的变化，”科学家解释道。“一种持续跟踪代谢物的工具，而不是依赖单一的实验室测量，可以帮助揭示这种双向交流。我们终于有能力测试缺乏关键数据的重要假设——帮助我们更好地了解肠道活动如何影响整体健康，从引发炎症、影响心理健康到塑造慢性疾病进展。”