Nature nanotechnology | 加州理工学院提出可穿戴生物分子传感纳米技术：用于慢性疾病实时监测管理

作者们指出，虽然当前消费者可穿戴设备（如智能手表）已广泛用于追踪心率等生物物理参数，但真正的下一次飞跃在于实现对生物分子（即生化疾病标志物）的实时、无创监测。

图1：慢性疾病的分子特征。本示意图展示了与慢性疾病相关的已确立的分子生物标志物，重点突出了它们在各种身体系统、并发症、症状及失调之间的相互关联。许多生物标志物与多种病理过程相关，并可能触发或加剧身体其他部位的新发或现有症状。对间接替代生物标志物的全面分析提供了慢性疾病状态的整体视图，从而增强了我们的理解并改善了临床结果。

该文的核心论点是，通过将先进纳米材料（如石墨烯、纳米颗粒、量子点等）与“免试剂”传感策略相结合，我们正迎来一个新时代：能够通过汗液、间质液(ISF)、眼泪、唾液等易获取的生物流体，对慢性疾病（如心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病等）的关键分子标志物（如葡萄糖、激素、炎症因子、神经递质等）进行不引人注目的连续监测。

作者们非常清醒地指出了该领域面临的巨大“转化鸿沟” 。尽管学术研究成果丰硕，但真正商业成功的案例极少（目前仅限于连续血糖监测仪，CGMs）。主要的挑战包括：

这篇综述的核心价值在于阐明了纳米技术正是解决上述挑战的关键钥匙。其创新之处在于系统性地论述了纳米尺度的材料和结构如何实现三大突破：

图2：用于身体界面监测的纳米材料与纳米技术的介绍。a. 用于高灵敏度身体界面传感器的纳米材料和检测探针示意图。b. 模拟天然酶催化活性的纳米酶。用天然酶结构修饰纳米酶可以赋予其高选择性。c. 能量转移机制，例如在目标识别事件中，光敏供体分子和受体分子之间发生的福斯特共振能量转移。d. 旨在增强电子转移以改善电化学传感性能的纳米结构表面。

1. 实现超高灵敏度： 慢性病的许多关键生物标志物（如细胞因子、激素）在体液中浓度极低（亚纳摩尔甚至皮摩尔级别）。纳米材料（如纳米颗粒、纳米线、石墨烯）具有极高的表面积体积比，而纳米结构（如纳米孔、等离激元结构）能极大增强电信号或光信号，从而实现将检测极限推向飞摩尔乃至单分子水平。

2. 赋能新型传感模式： 纳米技术催生了新的传感策略。例如，有机电化学晶体管(OECTs)具有极高的信号放大能力；表面增强拉曼光谱(SERS)能提供分子的“指纹”信息；而分子印迹聚合物(MIPs)等合成纳米受体，则有望替代不稳定的天然酶和抗体。

3. 实现新型体表形态： 纳米材料的灵活性和功能性使得制造“皮肤一样的”柔性电子设备成为可能，例如用于监测间质液的微针阵列、集成到口罩中的呼吸分析传感器、以及用于胃肠道监测的可吞咽胶囊。

图3：用于慢性疾病护理应用的身体界面传感器设备。a. 身体界面的形态配置。 多种技术被策略性地放置在身体上，允许对来自汗液、唾液、组织间液（ISF）、泪液、呼吸、伤口渗出液和胃肠液等生物体液的生物标志物进行原位采样和分析（左图）。这些生物流体能够以微创的方式洞察个体的健康状况，从而提升用户的舒适度和依从性。形态配置包括可穿戴设备（贴片、腕带、纹身式传感器和智能纺织品）、用于泪液监测的智能隐形眼镜、用于唾液监测的口腔护具、用于呼吸分析的面罩、用于胃肠道监测的可摄入胶囊以及可植入传感器。每种方法在传感器微型化、供电、流体采样、分析物稳定性和生物相容性方面都面临着独特的挑战。b. 身体界面生物分子传感器的应用。 身体界面传感器在四个关键领域发挥着关键作用：(1) 预防 — 通过追踪压力、物质使用（例如酒精和药物）或过敏原暴露，或监测营养状况，以鼓励更健康的生活方式选择；(2) 监测 — 通过持续测量直接疾病生物标志物（例如肌钙蛋白或尿酸）和外围生物标志物（例如炎症、激素水平或营养状况），以支持全面的健康评估；(3) 管理 — 通过对治疗窗狭窄的药物（例如免疫抑制剂或抗凝剂）进行治疗药物监测，利用可摄入传感器提高用药依从性，并实现个性化治疗策略，例如糖尿病中的连续血糖监测；(4) 研究 — 通过促进真实世界的数据收集、生物标志物发现和预测分析。当与机器学习结合时，这些传感器能够揭示在疾病恶化之前出现的细微生理模式，最终指导及时干预并塑造人群层面的健康策略。

作者强调，未来的成功必须同时满足四大条件：实现免试剂的连续监测、证明与血液高度相关、确保生物安全（不引起排异或损伤），并且能够低成本规模化生产。

目前，唯一的成功者——CGMs——已经证明了这条道路的可行性。而现在，纳米技术正将CGMs的能力扩展到其他数十种慢性病。

我们正站在一个主动健康革命的门槛上。这场革命的引擎不是AI算法，而是这些植入皮肤、藏于口中、浮在眼球上的纳米传感器。它们将把我们每个人变成一个行走的、连续的生化数据流，最终实现在疾病发作之前就将其扼杀的终极目标。