钓鱼寻找生物标志物

虽然钓鱼是许多人的流行爱好，但它也是一种充满不确定性的消遣。每次你钓到鱼时，你永远无法完全确定你钓到的是哪种鱼，直到你把它拉出水面。以类似的方式，科学家们在血液等生物流体中“捕捞”生物标志物——其医疗保健应用包括发出癌症存在信号的分子——也可能遇到不可预测性。在成千上万的池中寻找特定的蛋白质生物标志物就像试图在浩瀚的海洋中捕捉特定的鱼类一样。

幸运的是，来自锡拉丘兹大学艺术与科学学院 (A&S)、纽约州立大学上州医科大学、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，能够检测样品中单分子蛋白质生物标志物 精确。一种微小的蛋白质粘合剂被恰当地创造为“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 - 允许离子溶液流过它。当传感器识别出目标分子时，离子流会发生变化。这种流量变化作为来自传感器的信号，表明已找到生物标志物。

“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，” A&S 物理学教授 Liviu Movileanu说，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捕获它们，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，解决了之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，可应用于广泛的蛋白质靶标。

结合创新技术

该团队首次将纳米孔技术与抗体模拟技术相结合——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。体内的细胞会设计自己的抗体，这些抗体会结合并消除不需要的物质。在治疗方面，科学家设计小蛋白质以穿透细胞并刺激产生针对特定病原体(如病毒或细菌)的抗体。

Movileanu 说：“研究人员使用大自然中已建立的支架来设计支架，并使用进化诱变来调整它们——他们扫描数十亿个 DNA 突变，直到发现一些与特定蛋白质发生强烈相互作用，”他在该项目上的工作得到了 国立卫生研究院提供的120 万美元赠款。“创造高度特异性的蛋白质检测技术将满足这些需求，并加速发现对病理状况的进展具有潜在影响的新生物标志物。”

根据 Movileanu 的说法，除了在干净的溶液中工作外，该传感器在复杂的生物流体(如含有大量抗体的血清)中也非常有效。

“本质上，你有一个非常具体的钩子，可以针对非常具体的蛋白质，”他解释道。“由于信号编码的是您所针对的确切蛋白质，因此该技术没有误报，因此可用于生物医学诊断。”

为了验证他们的发现，该团队使用血清样本测试了他们的假设。凭借他们的技术，他们能够识别和量化表皮生长因子受体 (EGFR)，这是一种在各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大量校准。

在诊断的最前沿

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，这项技术将使科学家能够同时测试标本中的许多不同生物标志物，从而为复杂生物流体中的生物标志物检测提供基础。

“在诊断癌症时，医学的未来将不再那么依赖成像和活组织检查，”Movileanu 说。“相反，研究人员将使用纳米传感器技术，就像我们在实验室中开发的那样，来测试血液样本中是否存在与不同癌症相关的各种生物标志物。这项研究对未来的预后、诊断和治疗至关重要。”