加州大学洛杉矶分校开发的 TMR 传感器可实时监测多种代谢物。插图：光谱图像显示驱动代谢物传感反应的电极分子。图片来源：程轩冰、李宗琦 / Emaminejad 实验室

生命的基本功能由一组称为代谢物的化合物驱动，这些化合物参与所有自然过程，包括产生能量、调节细胞活动和维持身体系统平衡。追踪这些分子为了解多种疾病的发生与状态、整体健康状况、治疗反应以及生物系统的复杂运作提供了窗口。

然而，现有代谢物检测方法存在不足。大多数依赖资源密集型实验室检测，仅能从孤立样本中获取短暂快照。少数可连续追踪代谢物的传感器也主要局限于血糖检测。

加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所（CNSI）领导的跨学科研究团队可能已突破这些限制。在《美国国家科学院院刊》最新发表的研究中，研究人员展示了一种基于自然生化过程的传感器技术，能够连续可靠地同时测量多种代谢物。

"要理解代谢物如何影响生物过程或反映健康状况，我们需要根据特定研究兴趣监测不同类别的代谢物，" 论文通讯作者、加州大学洛杉矶分校 Samueli 工程学院电子与计算机工程副教授、CNSI 成员 Sam Emaminejad 表示，"因此我们致力于开发一种可适用于广泛代谢物，同时确保在体内可靠运行的传感器平台 —— 为此，我们借鉴了自然代谢过程。"

他认为该技术并非替代质谱分析等现有实验室方法，而是作为互补工具。科学家可继续使用质谱仪识别潜在目标化合物，再利用传感器在活体系统中进行监测。

传感器构建于单壁碳纳米管制成的电极之上。这些电极如同微型生物化学实验室，利用酶和称为辅助因子的分子助手进行模拟人体代谢过程的反应。根据目标代谢物不同，传感器可直接检测或通过一系列中间酶促反应将其转化为可检测形式。

检测通过特异性催化电子交换反应的酶实现。在电极表面，这些反应产生可测量的电流以确定代谢物水平。同时，其他酶协同工作，通过中和干扰分子防止假信号，类似人体酶对物质的解毒作用。

为体现这种串联与并行反应能力，研究团队将其命名为 "串联代谢反应传感器"（TMR 传感器）。

"数十年研究已绘制出连接代谢物与特定酶促反应的自然代谢通路，"Emaminejad 指出，"通过为不同功能适配精心挑选的酶和辅助因子，我们的电极可复制这些复杂反应，实现比传统传感器更广泛的代谢物检测。"

传统酶传感器多支持无辅助因子的单步反应。通过整合辅助因子，TMR 传感器可直接检测 800 多种代谢物，只需一步转化即可覆盖体内三分之二以上的代谢物。

"由单壁碳纳米管制成的 TMR 电极具有高性能生物传感的特殊优势，" 论文共同第一作者、Emaminejad 实验室博士后程轩冰表示，"它提供了装载酶和辅助因子的巨大活性面积，反应可在低电压下高效进行，减少副反应同时最大化酶活性利用率，从而在广泛应用中实现极高信噪比。"

在系列实验中，研究人员展示了该技术连续高灵敏度测量 12 种临床重要代谢物的能力。团队在癫痫治疗患者和类似糖尿病并发症个体的汗液与唾液样本中检测代谢物，并发现一种肠道细菌衍生代谢物在脑部蓄积可能引发神经疾病。

该传感器在不同生物环境中追踪广泛代谢物的能力，为人类健康和科学发现开辟了新途径。通过实现早期精准诊断和个性化治疗，它可能改变代谢及心血管疾病的治疗方式。该技术还可通过追踪不同条件下身体代谢能量的方式优化健身与运动表现。

在药物开发领域，传感器能实时揭示疗法对代谢通路的影响 —— 从评估通过抑制酶活性阻止肿瘤生长的抗癌药物，到追踪细菌代谢物生成以优化抗生素使用。

超越医学领域，这些传感器可通过持续反馈提升工业生产效率，优化用于生产药物、生物燃料和其他有价值化学品的工程微生物的产量。

在众多可能性中，Emaminejad 对该技术揭示肠 - 脑连接的潜力尤为兴奋 —— 这是生物医学研究的新兴前沿。团队目前正致力于调整平台以解决未解科研问题并探索新的诊断机遇。

"理解肠道与大脑相互作用的一大挑战在于捕捉动态变化，" 他表示，"能够连续追踪代谢物而非依赖单次实验室检测的工具，或将帮助揭示这种双向交流。我们终于有能力验证那些因缺乏关键数据而搁置的重要假设 —— 助力我们更深入理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病进程。"

更多信息：程轩冰等，基于串联代谢反应的传感器开启体内代谢组学研究，《美国国家科学院院刊》（2025）。DOI: 10.1073/pnas.2425526122