“钓鱼”寻找生物标志物

　　研究人员设计了一种微小的纳米级传感器，能够以单分子精度检测样品中的蛋白质生物标志物。一种微小的蛋白质结合剂被称为“钩子和诱饵”，它融合到细胞膜上的一个小孔(称为纳米孔)，离子溶液可以通过这个小孔流过。当传感器识别出目标分子时，离子流就会发生变化。这种流量变化是传感器发出的信号，表明已经发现了生物标志物。

　　

钓鱼虽然是许多人的流行爱好，但也是一种充满不确定性的消遣。每次你钓上什么东西，你永远无法完全确定你钓到的是什么类型的鱼，直到你把它从水里拉出来。以类似的方式，科学家在血液等生物液体中“捕捞”生物标记物(生物标记物的分子在医疗保健方面的应用包括发出癌症存在的信号)也可能遇到不可预测性。在成千上万的鱼池中寻找一种特定的蛋白质生物标志物，就像试图在茫茫大海中捕捉一种特定的鱼类一样。

幸运的是，来自雪城大学艺术与科学学院(A&S)、纽约州立大学北部医科大学、Ichor Therapeutics和克拉克森大学的一组研究人员设计了一种微型纳米级传感器，能够以单分子精度检测样本中的蛋白质生物标志物。一种微小的蛋白质结合剂被恰当地称为“钩子和诱饵”，它融合到细胞膜上形成的一个小孔——称为纳米孔——这个小孔允许离子溶液流过。当传感器识别出目标分子时，离子流就会发生变化。这种流量变化是传感器发出的信号，表明已经发现了生物标志物。

A&S的物理学教授Liviu Movileanu说:“这些纳米孔配备了钩子，可以从溶液中提取某些蛋白质生物标志物。”他与博士后研究员Mohammad Ahmad共同撰写了这项研究。“通过快速准确地从溶液中提取它们，我们可以更好地识别和量化与各种血液恶性肿瘤和实体肿瘤相关的蛋白质生物标志物。”

该团队的最新研究发表在《Nature Communications》上，解决了以前在使这项技术普遍化方面存在的挑战。他们的新发现制定了一种传感器设计架构，可以应用于广泛的蛋白质目标。

结合创新技术

该团队首次将纳米孔技术与抗体模拟技术结合起来——人工设计的蛋白质支架与特定的生物标志物结合并相互作用，表现得像抗体一样。体内的细胞设计自己的抗体，可以结合并清除不需要的物质。当涉及到治疗时，科学家们设计小蛋白质穿透细胞，刺激抗体的产生，这些抗体针对特定的病原体，如病毒或细菌。

Movileanu说:“研究人员使用大自然中已经建立的支架来设计支架，并使用进化诱变法对其进行调整——他们扫描数十亿个DNA突变，直到找到一些与特定蛋白质强烈相互作用的突变。”Movileanu在该项目的工作得到了美国国立卫生研究院120万美元的资助。“创造高度特异性的蛋白质检测技术将满足这些需求，也将加速发现新的生物标志物，对病理条件的发展产生潜在影响。”

Movileanu表示，除了在干净的溶液中工作外，该传感器在血清等含有大量抗体的复杂生物液体中也非常有效。

“从本质上讲，你有一个非常特定的钩子，它针对一个非常特定的蛋白质，”他解释说。“由于信号对目标蛋白质进行了编码，因此这项技术不会出现误报，这使得它在生物医学诊断中非常实用。”

为了验证他们的发现，研究小组使用血清样本测试了他们的假设。利用他们的技术，他们能够识别和量化表皮生长因子受体(EGFR)，这是一种多种癌症中的蛋白质生物标志物。此外，还使用其他生物物理技术对传感器进行了多次校准。虽然他们的论文提供了一个概念原型，但Movileanu表示，该项目为广泛应用铺平了道路。例如，通过将传感器集成到纳米流体设备中，这项技术将允许科学家在一个标本中同时测试许多不同的生物标记物，为复杂生物流体中的生物标记物检测提供基本基础。

Movileanu说:“在诊断癌症时，医学的未来将不再那么依赖成像和活检。相反，研究人员将使用纳米传感器技术，就像我们在实验室开发的那样，来测试血液样本中与不同癌症相关的各种生物标志物的存在。这项研究对预测、诊断和治疗的未来至关重要。”

M. Ahmad, J.-H. Ha, L.A. Mayse, M. Presti, A.J. Wolfe, K.J. Moody, S. Loh, L. Movileanu. A Generalizable Nanopore Sensor for Highly Specific Protein Detection at Single-Molecule Precision. Nature Communications, 2023