Nature子刊｜觀測生命的動態(tài)：納米傳感器如何實現(xiàn)細胞內(nèi)過程的實時解碼

生命是一個動態(tài)的過程。然而，我們理解生命的基本單位——細胞的方式，卻常常是靜態(tài)的。傳統(tǒng)的細胞分析技術(shù)，無論是測序還是質(zhì)譜，都不得不以“殺死”細胞為代價，這如同通過研究一張張靜態(tài)的化石照片，來試圖理解一群飛鳥的遷徙行為，必然丟失了其中最關(guān)鍵的時間、空間和動態(tài)信息。如今，一場由納米技術(shù)驅(qū)動的范式革命正在悄然發(fā)生。納米傳感器正以其微小的尺度和精巧的設(shè)計，讓我們得以在不干擾細胞正常生命活動的前提下，潛入其內(nèi)部世界，對離子、代謝物、電信號等進行實時、原位的監(jiān)測。這標志著我們正從“終點式”的破壞性讀取，邁向構(gòu)建“細胞內(nèi)的實驗室”的新時代。

圖1.實時原位生物分子細胞內(nèi)監(jiān)測

2025年10月15日，Nature Nanotechnology在線發(fā)表了一篇名為“Nanosensors for real-time intracellular analytics”的綜述性論文。在該綜述中，作者提出了一個清晰的框架，將這類技術(shù)依據(jù)其空間位置分為三類：近細胞、貼細胞與細胞內(nèi)。這一分類不僅厘清了技術(shù)路徑，更深刻揭示了在微創(chuàng)性、信號保真度和分辨率之間的權(quán)衡。本文將帶你深入這一前沿領(lǐng)域，看這些納米尺度的“智能探針”如何為我們揭開生命動態(tài)的面紗。

臨床的“火眼金睛”：為何我們需要探測細胞內(nèi)部？

傳統(tǒng)的疾病診斷主要依賴于血液和組織液等生物體液中的生物標志物。然而，細胞內(nèi)生物標志物在早期診斷和精準醫(yī)療中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢：它們通常在疾病更早階段出現(xiàn)，并且能更準確地反映細胞真實狀態(tài)，因為它避免了細胞外檢測中固有的稀釋效應(yīng)和系統(tǒng)性變異。更重要的是，細胞內(nèi)檢測能夠?qū)崿F(xiàn)單細胞分辨率，這對于揭示癌癥、神經(jīng)退行性疾病和感染等疾病中關(guān)鍵的細胞異質(zhì)性至關(guān)重要。

表1.來自細胞和亞細胞區(qū)室的臨床相關(guān)生物標志物

盡管本篇綜述討論的大多數(shù)細胞內(nèi)傳感技術(shù)應(yīng)用于離體或體外環(huán)境，但其巨大價值在于，它們能提供傳統(tǒng)體內(nèi)方法難以實現(xiàn)的動態(tài)、高分辨率的細胞洞察。這些技術(shù)在探索亞細胞生物學(xué)，尤其是在患者來源的類器官、培養(yǎng)的原代細胞或單細胞平臺等系統(tǒng)中，提供了無與倫比的控制力和精確度。因此，細胞內(nèi)傳感技術(shù)正在架起連接基礎(chǔ)細胞生物學(xué)與臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵橋梁。

按距離劃分的傳感器模式

近細胞傳感器：

這類傳感器位于細胞膜附近，通過檢測細胞擴散或分泌出的生物標志物進行工作。其核心優(yōu)勢在于非侵入性和高空間分辨率，適用于長期監(jiān)測。

l掃描電化學(xué)顯微鏡：通過檢測氧化還原電流變化，繪制細胞表面附近的化學(xué)活性圖譜，已應(yīng)用于葡萄糖、乳酸流量及微生物信號代謝物的研究。

l微電極陣列：由微電極組成的陣列，可記錄細胞外電信號或測量周圍環(huán)境的電化學(xué)變化，實現(xiàn)了神經(jīng)元和心肌細胞電活動的無標記長期監(jiān)測。

l表面等離子體共振：通過檢測分子結(jié)合或離子相互作用引起的折射率變化進行傳感，已用于監(jiān)測細胞外鉀離子濃度及鈣信號傳導(dǎo)的可視化。

近細胞傳感器雖具擴展性和長期監(jiān)測優(yōu)勢，但其對細胞內(nèi)過程的測量是間接的，且因信號擴散可能導(dǎo)致特異性降低。

圖2.近細胞傳感器

貼細胞傳感器：

此類傳感器與細胞膜直接接觸，通過電穿孔、光穿孔等技術(shù)瞬時破壞質(zhì)膜，建立局部化的細胞內(nèi)訪問通道，在微創(chuàng)性與高分辨率訪問之間取得平衡。

l微/納米吸管：通過物理插入功能化的錐形玻璃探針，可高空間精度地測量pH、細胞內(nèi)電位、葡萄糖水平和活性氧。

l納米電極陣列：將高密度垂直納米結(jié)構(gòu)與微電子平臺集成，通過局部電穿孔或自發(fā)穿透記錄膜電位、活性氧和NADH水平。

圖3.監(jiān)測細胞生物標志物的貼細胞技術(shù)

l表面增強拉曼散射和原子力顯微鏡探針：SERS探針能無標記地檢測鐵離子等分子，提供獨特的分子“指紋”；而AFM探針甚至能像“內(nèi)窺鏡”一樣插入細胞，繪制細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。

圖4.貼細胞光學(xué)技術(shù)監(jiān)測細胞生物標志物

貼細胞傳感器彌合了外部觀察與細胞內(nèi)訪問之間的鴻溝，但其在通量、可重復(fù)性和維持細胞活性方面仍面臨挑戰(zhàn)。

細胞內(nèi)傳感器：

這類傳感器完全在細胞質(zhì)或細胞器內(nèi)運作，提供對亞細胞環(huán)境的直接、動態(tài)訪問，是實現(xiàn)分子精度實時監(jiān)測的關(guān)鍵。

l熒光傳感器：利用熒光標記染料或基因編碼指示劑，報告離子、pH、ATP、葡萄糖、活性氧等，具有高靈敏度和特異性，但可能受光漂白和探針擴散限制。

l納米機器人與納米電機：通過化學(xué)、聲學(xué)或磁性輸入驅(qū)動，可主動檢測miRNA、DNA和蛋白質(zhì)等特定生物分子，并能量化細胞質(zhì)粘度等物理特性。

l氣體囊泡與聲學(xué)報告基因：通過基因編碼的氣體囊泡實現(xiàn)細胞內(nèi)非侵入性超聲成像，提供了深組織成像潛力。

l細胞內(nèi)芯片和無線設(shè)備：微型化植入式傳感器可報告流體靜壓、細胞質(zhì)機械變化和實時生物標志物波動，是極具創(chuàng)新性的讀出模型。

細胞內(nèi)傳感器能以前所未有的分子精度揭示亞細胞動態(tài)，但其在運動控制、生物相容性和信號提取方面仍需進一步優(yōu)化。

圖5.細胞生物標志物監(jiān)測的細胞內(nèi)技術(shù)

展望：智能傳感的未來與挑戰(zhàn)

隨著實時細胞內(nèi)納米傳感技術(shù)的發(fā)展，我們正進入一個能夠同時監(jiān)測活細胞內(nèi)物理參數(shù)和化學(xué)標志物的新時代。這些技術(shù)為解析細胞異質(zhì)性、評估單細胞水平的藥效提供了獨特價值。特別值得關(guān)注的是"細胞可穿戴設(shè)備"的出現(xiàn)，這些能與細胞復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)貼合的納米傳感器，實現(xiàn)了對細胞行為的連續(xù)監(jiān)測與調(diào)控。

未來發(fā)展方向聚焦于三大融合：

與類器官模型的融合：實時傳感技術(shù)與類器官結(jié)合催生的"智能類器官"，能夠持續(xù)監(jiān)測并報告其內(nèi)部狀態(tài)，為個性化診療開辟新途徑。

與人工智能的協(xié)同：AI通過識別復(fù)雜數(shù)據(jù)集中的模式，使納米傳感器從被動觀察者升級為智能系統(tǒng)，能夠優(yōu)化測量參數(shù)、提高準確性并預(yù)測生物學(xué)結(jié)果，為數(shù)據(jù)驅(qū)動的臨床決策提供支持。

技術(shù)挑戰(zhàn)的突破：盡管前景廣闊，該領(lǐng)域仍面臨若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

l微型化制造：在納米尺度保持傳感器信號質(zhì)量與功能的一致性

l細胞內(nèi)訪問：突破質(zhì)膜屏障同時維持細胞正常功能

l生物相容性：確保傳感器在細胞內(nèi)保持惰性，最小化對細胞平衡的干擾

l多參數(shù)傳感：實現(xiàn)物理與化學(xué)標志物的同步檢測

l3D集成：將納米傳感器嵌入類器官等三維組織模型，同時保持其完整性

結(jié)語

納米傳感器與AI的融合，代表了我們向著以卓越精度監(jiān)測和影響細胞過程這一未來邁出的重要一步。克服這些挑戰(zhàn)將加速開發(fā)具有多路復(fù)用和多模態(tài)功能的實時細胞內(nèi)納米傳感器，最終實現(xiàn)對細胞機制的全面理解，為早期疾病檢測、精準藥物反應(yīng)評估和個性化治療干預(yù)奠定基礎(chǔ)。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-02032-w

主編微信

注：添加微信請備注昵稱+單位+研究

微信學(xué)科討論群：病毒學(xué)群，神經(jīng)科學(xué)群、臨床醫(yī)學(xué)、腫瘤學(xué)科群、碩博交流群和醫(yī)藥投資交流群（微信群審核要求較高，請各位添加主編后主動備注單位研究方向）