革命性震动传感器：炎症监测的游戏规则改变者

该设备从水果从树上掉落的方式获得灵感，利用与蛋白质结合的DNA链，释放它们，随后捕获新的蛋白质。这种创新的方法使得设备能够随着时间的推移追踪多种蛋白质，帮助测量炎症标志物的变化。

在初步实验中，传感器有效地测量了与糖尿病大鼠相关的炎症蛋白质生物标志物。这项研究为通过监测重要蛋白质（包括与炎症相关的细胞因子和与心力衰竭相关的蛋白质标志物等）进行急性和慢性健康问题的实时管理和预防开辟了道路。

研究结果将于周五（12月6日）在《科学》期刊上发表。

“该设备的设计类似于居住在你手臂上的连续葡萄糖监测仪，跟踪皮肤下方的水平，”西北大学的首席研究员Shana O. Kelley解释道。”你可以观察到实时的葡萄糖水平变化；如果你打胰岛素，你可以看到水平下降。识别正向和负向趋势都至关重要，蛋白质水平与炎症同样如此。监测这些波动可以提供对身体变化的全面理解。这项技术代表了一种观察炎症的突破性能力。我们才刚刚开始探索其广阔的潜在应用。”

Kelley担任西北大学化学与生物医学工程的Neena B. Schwartz教授，并与威伯格艺术与科学学院、麦考米克工程学院以及费因伯格医学院相关联。此外，她还担任芝加哥Chan Zuckerberg Biohub的负责人，该生物中心是一个更大教育和研究机构网络的一部分。

受到自然的启发

虽然市场上有许多传感器可以持续监测小分子，但蛋白质由于其大小和复杂性带来了更大的挑战。传统上，科学家使用设计用于与蛋白质结合并从生物体液中提取它们的DNA受体。

然而，这些受体机制往往会长时间保持对蛋白质的结合——超过20小时——这使得实时监测变得不切实际。在尝试了多种方法来“重置”这些传感器后，研究的主要作者Hossein Zargartalebi 从自然中找到了灵感。

“我想到了摇动苹果树会释放成熟的果实，”Zargartalebi分享道，他是Kelley实验室的博士后研究员。”这个观察激发了一个想法：如果我们能够有效地‘摇动’我们的DNA受体以释放之前捕获的蛋白质呢？我应用了交变电场，这使得DNA链发生了振荡，实现了预期的结果。蛋白质被释放，使得传感器得以重置。”

这些纳米级传感器类似于一系列由双链DNA制成的摆锤。一端连接到电极，另一端链接到段DNA，后者附着于特定蛋白质。通过施加交变电场，传感器振荡，在短短一分钟内有效地脱落蛋白质并捕获新的蛋白质。

“Hossein展示了他意想不到的解决方案的非凡创造力，”Kelley赞扬道。“在实验室测试时，它运行得非常顺利。既简单又优雅的解决办法。”

“我感到一阵兴奋，知道这种自然灵感带来了重大的突破，”Zargartalebi回忆道。”就像树生长并释放苹果，我们的DNA传感器在每个测量周期后可以持续释放蛋白质，从而实现体内的实时监测。这次经历重新确认了自然为那些愿意仔细观察的人提供宝贵的见解。”

深入探索体内

在成功测试了实验室中的设备后，研究团队希望确定其在活体动物中的有效性。他们构造了一个植入式微型设备，安置在一个细长的微针中，大约与三根人类头发的大小相当。类似于连续葡萄糖监测仪，该设备放置在皮肤上，而微针穿透皮肤以采集液体样本。

该团队设计了能与两种特定蛋白质细胞因子结合的传感器，这是炎症的关键标志物。他们将设备植入糖尿病大鼠的皮肤中，因为糖尿病和炎症之间有密切关系——许多糖尿病引发的并发症是由于炎症反应引起的。

传感器成功追踪了液体中两种蛋白质浓度的变化。它们记录到，当大鼠禁食或注射胰岛素时细胞因子水平下降。相反，当研究人员引入一种刺激免疫系统的物质时，细胞因子水平激增。

传感器表现出显著的敏感性；例如，每当大鼠注射胰岛素时，设备便在注射点检测到了炎症标志物的细微激增。此外，传感器的读数与高水平实验室蛋白质检测方法相符，确认了它们的有效性。

终极预防措施

尽管该设备目前有效于监测炎症，Kelley设想它跟踪其他各种蛋白质指标的潜力。她特别提到心力衰竭，涉及B型利钠肽（BNP）蛋白。临床医生常规测量BNP以诊断和管理心力衰竭，但目前尚无方法进行此标志物的持续实时跟踪。

“心力衰竭的患者可能每三个月才去医生那里一次，”Kelley指出。”然而，症状可能在那段时间发生。患者的不适并不总是与心力衰竭相关。通过持续监测，当患者感到不适时，医生可以立即访问他们的BNP数据。随后，治疗计划可以在情况恶化之前进行调整。我们希望这项技术有一天能使许多人受益，类似于持续葡萄糖监测技术的进步——我们希望它能成为一种必要的预防工具。”

这项研究的题目为“主动重置蛋白质传感器实现炎症的连续体内监测”，得到了美国国立卫生研究院、加拿大健康研究院、安大略基因组学、美国心脏病研究所、芝加哥Chan Zuckerberg Biohub和加拿大自然科学与工程研究委员会的支持。